水热合成形貌可控纳米TiO及其在染料敏化太阳能电池中的应用

摘要

由于在染料敏化太阳能电池、光催化和光水解等方面的优异性能，纳米TiO2的合成制备受到广泛关注。同时其性能在很大程度上取决于TiO2的形貌，制备形貌可控的纳米颗粒、纳米管/棒和纳米阵列结构，在理论与应用上均有重要意义。本文采用传统液相水热法合成了不同形貌的纳米TiO2并研究了在染料敏化太阳能电池中的应用。
　　 (1)TiO2纳米颗粒：采用硝酸作为胶溶剂，在230-250℃下水热后，得到平均粒径为15-23.6nm的锐钛矿纳米晶粒，在240℃水热条件下制得的电池，光电转化效率相对较高，为3.2％；采用三乙醇胺为螯合剂，在150-200℃下水热后，得到平均粒径为22.76-26.34nm的锐钛矿纳米晶粒，在180℃条件下制得的电池，光电转化效率相对较高为3.34％；采用四甲基氢氧化胺为形貌控制剂，在160℃水热得到平均粒径为36.14nm的单分散结构的纳米颗粒，在180℃条件下形成具有许多孪晶结构的TiO2，孪晶面为(001)。
　　 (2)TiO2纳米管/棒：采用热碱法，P25经过160℃水热36h后得到管径在7-10nm，长约几百纳米的H2Ti3O7纳米管，以不同质量比掺入到纳米晶粒中制成复合电极，发现含量为15％时，具有相对高的转化效率3.64％；以制得的钛酸盐纳米管为前驱体，再次水热得到长度在200-400nm长径为4-5的TiO2纺锤形纳米棒，以不同质量比与纳米晶粒复合，发现纳米棒含量为20％时，复合电极有最高转化效率4.6％。
　　 (3)TiO2纳米阵列：在强酸环境下，以Ti(OBu)4和TiCl4为钛源情况下，在130-180℃水热条件下，直接在FTO上水热生长了高C轴择优取向的TiO2纳米阵列。结果表明随着水热温度增加，纳米阵列的长度也随之增加，纳米棒平均直径减小；钛源浓度增加时，纳米阵列的长度和纳米棒平均直径均随之增加；HCl对TiO2纳米阵列的成核与生长过程均有一定抑制作用，HCl含量的增加，纳米阵列的厚度也相应减小。采用溶剂热法，在180℃条件下，在FTO上生长了平均直径在9-15nm，长约1.5μm的TiO2纳米阵列，对其晶面指数标定沿棒方向为[002]晶向，既C轴方向生长。