二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料及其制备

摘要

本发明公开了一种二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料及其制备方法。该材料的结构：底部为二氧化钛纳米棒，中间层为二氧化钛纳米微晶，顶部为二氧化钛纳米花。其制备过程包括：将二氧化钛P25粉末、乙基纤维素分别配制成乙醇溶液，加入松油醇、正丁醇，水浴反应，蒸出乙醇，研磨后得到二氧化钛料浆；通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到导电玻璃上，在自然条件下干燥；在反应釜中，加入去离子水、浓盐酸及钛酸丁酯，然后将上述导电玻璃倾斜放入反应溶液中反应，得到该材料。本发明的优点在于，简单易行，能耗低，制备周期短，易于工业化批量生产，并且制得的材料有利于染料敏化太阳能电池效率的提升。

说明书

技术领域

 本发明涉及一种二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料及其制备方法，属于二氧化钛纳米材料技术。

背景技术

纳米二氧化钛因其合适的能带结构，优良的导电性质和化学稳定性而被广泛应用于制备染料敏化太阳能电池光阳极。传统光阳极采用二氧化钛纳米颗粒浆料涂覆制备获得。虽然具有大的比表面积，染料吸附量多，但由于内部界面的存在，阻碍了光生电子的传输。

为了获得高性能的电子传输能力，一维纳米阵列薄膜开始被广泛研究用于制备光阳极。这些纳米阵列包括纳米线、纳米棒、纳米管阵列。但这些结构材料的染料吸附量相比于纳米颗粒结构处于劣势，染料吸附量少，光电转换效率没有得到提高。

近年来，为了结合两者优势，人们引入一维纳米材料与二氧化钛纳米颗粒进行复合。通常采用的方法是二氧化钛纳米棒或碳纳米管与二氧化钛颗粒混合浆料涂覆的方法进行制备。但材料在机械混合过程中，不能保证材料均匀紧密结合，因此难以发挥其电子传输性能上的优势。关于二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料及其制备，目前尚未见到相关报道。

发明内容

本发明旨在提供一种二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料及其制备方法，所述二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料具有优良的导电性质和化学稳定性，其制备方法过程简单。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料，其特征在于，该材料的底部为二氧化钛纳米棒，中间层为二氧化钛纳米微晶，顶部为二氧化钛纳米花，其中纳米棒长度为8~12μm，直径为80~120nm，而二氧化钛纳米微晶厚度为1.5μm~2.5μm，二氧化钛纳米花直径为80~120nm。

上述结构的二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

1）将掺氟氧化锡导电玻璃分别依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗，自然干燥备用；

2）将二氧化钛P 25粉末、乙基纤维素分别加入到无水乙醇中，制得质量分数为30%~45%的二氧化钛乙醇溶液和质量分数为10%~20%的乙基纤维素乙醇溶液，按两种溶液体积比为1:1进行均匀混合得到混合溶液，按松油醇、正丁醇分别与二氧化钛P 25粉末质量比为（1.5~2）:1和（1~2）:1将它们加入二氧化钛与乙基纤维素的混合溶液中，搅拌混合均匀，在温度80℃~90℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，经研磨得到二氧化钛料浆；

3）将步骤1）处理后的掺氟氧化锡导电玻璃固定于丝网印刷机上，然后通过丝网印刷技术将步骤2）得到的二氧化钛料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，形成厚度1.5μm~2.5μm的二氧化钛纳米微晶薄膜，将该薄膜在自然条件下干燥；

4）在反应釜中加入质量浓度为10%~30%的盐酸水溶液，并按该盐酸水溶液与钛酸丁酯体积比为48：1加入钛酸丁酯，玻璃棒搅拌均匀，得到反应溶液，将步骤3）得到的涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度100℃~200℃条件下反应1~6h，冷却至室温后，取出导电玻璃，用去离子水冲洗、经干燥，得到二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：操作简单，成本低。设备为普通的丝网印刷机及其套件，干燥箱，恒压源，无需其他大型或复杂设备。二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花的比例、长度和直径可以通过反应溶液成分及反应温度来调节。相比一维纳米材料与二氧化钛颗粒混合浆料涂覆的方法，此方法制备的材料，能够保证碳纳米管与集流体的直接接触，提高电子传输性能。

附图说明

图1为本发明实施例一所制得的二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料的结构示意图。

图2为图1中二氧化钛纳米微晶层的表面SEM图。

图3为图1中二氧化钛纳米棒的表面SEM图。

图4为图1中二氧化钛纳米花的表面SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，这些实施例只是用于说明本发明，并不限制本发明。

实施例一

将10mm×10mm的掺氟氧化锡导电玻璃依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗10min，自然干燥备用；将二氧化钛P 25粉末3g、乙基纤维素1g分别加入到10mL无水乙醇中制得二氧化钛乙醇溶液及乙基纤维素乙醇溶液，二者机械混合后，加入6g松油醇与5g正丁醇，200r·min^-1速度下搅拌2h。然后在温度80℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得的胶体放入玛瑙研钵中研磨10min，得到二氧化钛料浆；将处理后的导电玻璃固定于丝网印刷机上，通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，其中丝网目数400目，丝网面积8mm×8mm，涂层厚度2μm，在自然条件下干燥30min；在50mL反应釜中，放入6mL去离子水、18mL质量浓度37%的盐酸和0.5mL钛酸丁酯，搅拌5min使其混合均匀。然后将涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度120℃条件下反应4h，得到二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料。

实施例二

将10mm×10mm的掺氟氧化锡导电玻璃依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗10min，自然干燥备用；将二氧化钛P 25粉末4g、乙基纤维素1g分别加入到10mL无水乙醇中制得二氧化钛乙醇溶液及乙基纤维素乙醇溶液，二者机械混合后，加入7.5g松油醇与7g正丁醇，200r·min^-1速度下搅拌2h。然后在温度80℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得的胶体放入玛瑙研钵中研磨10min，得到二氧化钛料浆；将处理后的导电玻璃固定于丝网印刷机上，通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，其中丝网目数400目，丝网面积8mm×8mm，涂层厚度2μm，在自然条件下干燥30min；在50mL反应釜中，放入12mL去离子水、12mL质量浓度37%的盐酸和0.5mL钛酸丁酯，搅拌5min使其混合均匀。然后将涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度150℃条件下反应5h，得到二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料。

实施例三

将10mm×10mm的掺氟氧化锡导电玻璃依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗10min，自然干燥备用；将二氧化钛P 25粉末3g、乙基纤维素1g分别加入到10mL无水乙醇中制得二氧化钛乙醇溶液及乙基纤维素乙醇溶液，二者机械混合后，加入7.5g松油醇与8g正丁醇，250r·min^-1速度下搅拌2h。然后在温度85℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得的胶体放入玛瑙研钵中研磨10min，得到二氧化钛料浆；将处理后的导电玻璃固定于丝网印刷机上，通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，其中丝网目数400目，丝网面积8mm×8mm，涂层厚度2μm，在自然条件下干燥30min；在50mL反应釜中，放入12mL去离子水、12mL质量浓度37%的盐酸和0.5mL钛酸丁酯，搅拌5min使其混合均匀。然后将涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度170℃条件下反应4h，得到二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料。

实施例四

将10mm×10mm的掺氟氧化锡导电玻璃依次在乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗10min，自然干燥备用；将二氧化钛P 25粉末4.5g、乙基纤维素2g分别加入到10mL无水乙醇中制得二氧化钛乙醇溶液及乙基纤维素乙醇溶液，二者机械混合后，加入7g松油醇与9g正丁醇，250r·min^-1速度下搅拌2h。然后在温度85℃条件下进行水浴反应，蒸出乙醇，制得的胶体放入玛瑙研钵中研磨10min，得到二氧化钛料浆；将处理后的导电玻璃固定于丝网印刷机上，通过丝网印刷技术将二氧化钛料浆印刷到掺氟氧化锡导电玻璃上，其中丝网目数400目，丝网面积8mm×8mm，涂层厚度2μm，在自然条件下干燥30min；在50mL反应釜中，放入6mL去离子水、18mL质量浓度37%的盐酸和0.5mL钛酸丁酯，搅拌5min使其混合均匀。然后将涂有二氧化钛纳米微晶薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃倾斜放入反应溶液中，在温度180℃条件下反应3h，得到二氧化钛纳米棒-纳米微晶-纳米花材料。