纳米TiO2粉体的分散性及冷冻干燥成型研究

摘要

由纳米TiO2粒子组成的薄膜孔隙率高、比表面积大，制备工艺简单，适合作为染料敏化太阳能电池的光阳极。然而，该薄膜中孔隙结构无序，纳米粒子间连接程度差，影响了光电转化效率。冷冻干燥法是常见的制备具有定向孔结构多孔陶瓷的方法之一，但要求浆料具有良好的分散性能，为此本研究首先优化浆料性能，在此基础上探讨采用冷冻干燥法制备有序多孔TiO2薄膜的可行性。
　　选用六偏磷酸钠、曲拉通和聚丙烯酸三种分散剂，通过沉降实验、粒径分析和流变性测试发现，当聚丙烯酸与曲拉通复合使用时，纳米TiO2浆料的分散性较单一分散剂时有明显提高，静置一周浆料几乎没有发生沉降，稳定性佳，最佳添加量为聚丙烯酸2wt％与曲拉通0.7wt％;当六偏磷酸钠与曲拉通复合使用时，浆料的分散稳定性和流变性都有改善，最佳添加量为六偏磷酸钠3wt％和曲拉通0.7wt％。当六偏磷酸钠与聚丙烯酸复合使用时，作用效果较其它两种复合时的效果差。同时发现，分散稳定性对六偏磷酸钠的添加量比较敏感。
　　在对TiO2浆料的冷冻成型体形貌观察的基础上，探讨TiO2粉体在水中的冷冻成型机理。成型体中的孔径主要受到固相含量和粉体粒径的影响，增加固相含量和减小粉体粒径都会使孔径降低。利用粒径为25nm的TiO2粉体，在固相含量为20vol％，冷冻温度为-30℃时，制备出孔径小于5μm、具有整齐排列的片层状孔隙的成型体。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 染料敏化太阳能电池

1．3 多孔陶瓷

1．3．1 有机泡沫浸渍—高温处理法

1．3．2 发泡法

1．3．3 添加造孔剂法

1．3．4 溶胶-凝胶法

1．3．5 凝胶注模法

1．3．6 固相烧结法

1．3．7 孔梯度制备方法

1．3．8 水热-热静压法

1．3．9 冷冻干燥法

1．4 冷冻干燥法

1．4．1 冷冻干燥法原理

1．4．2 原料的选取

1．4．3 冷冻干燥法的发展和现状

1．5 纳米浆料

1．5．1 颗粒的团聚

1．5．2 分散方法

1．5．3 分散稳定机制

1．5．4 研究现状

1．6 本文的研究的目的及意义

1．7 研究内容

2 实验过程

2．1 实验原料与仪器设备

2．1．1 实验原料

2．1．2 仪器设备

2．2 实验工艺路线

2．3 纳米TiO2浆料的制备及表征

2．3．1 浆料的配制

2．3．2 沉降实验

2．3．3 粒度分析

2．3．4 流变性能

2．4 冷冻干燥成型

2．4．1 导热铜片的预处理

2．4．2 TiO2浆料的配制

2．4．3 冷冻干燥机

2．4．4 冷冻干燥过程

2．4．5 表征

3 纳米TiO2的分散性能研究

3．1 复合分散剂对纳米TiO2浆料分散稳定性的影响

3．1．1 六偏磷酸钠+曲拉通(TX-100)

3．1．2 曲拉通(TX-100)+六偏磷酸钠

3．1．3 聚丙烯酸(PAA)+曲拉通(TX-100)

3．1．4 曲拉通(TX-100)+聚丙烯酸(PAA)

3．1．5 六偏磷酸钠+聚丙烯酸(PAA)

3．1．6 聚丙烯酸(PAA)+六偏磷酸钠

3．2 复合分散剂对纳米TiO2浆料流变性的影响

3．2．1 六偏磷酸钠+曲拉通(TX-100)

3．2．2 聚丙烯酸(PAA)+曲拉通(TX-100)

3．2．3 六偏磷酸钠+聚丙烯酸(PAA)

3．3 消泡剂对纳米TiO2浆料的影响

3．4 本章总结

4 纳米TiO2的冷冻干燥成型

4．1 材料的选取

4．2 成型体的微观形貌

4．2．1 垂直于冷冻梯度方向的微观形貌

4．2．2 平行于冷冻梯度方向的微观形貌

4．3 孔结构的形成机理

4．3．1 冰晶的形貌

4．3．2 成型机理

4．4 固相含量对显微结构的影响

4．4．1 垂直于冷冻梯度方向的微观形貌

4．4．2 平行于冷冻梯度方向的微观形貌

4．5 颗粒粒径对显微结构的影响

4．5．1 垂直于冷冻梯度方向的微观形貌

4．5．2 平行于冷冻梯度方向的微观形貌

4．6 纳米粉体的冷冻成型特性

4．6．1 纳米粉体的冷冻成型体形貌

4．6．2 静置除泡过程对成型体显微形貌的影响

4．7 本章总结

5 结论

致谢

参考文献

在校期间所发表的论文