[发明专利]一种二氧化钛纳米管与纳米棒同轴复合阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛纳米管与纳米棒同轴复合阵列的制备方法，具体属于纳米薄膜制备及染料敏化太阳能电池领域。

背景技术

目前，二氧化钛一维阵列由于比纳米粉体具有更高的表面能和更高的连通性，为电子传输提供连续的通道，比纳米粉体在光催化及染料敏化电池（DSSC）等领域具有更广阔的应用前景。但是目前一维TiO₂纳米管或者纳米棒制备的DSSC效率仍然很低，很大程度上是由于纳米管或棒长度有限，其比表面积严重受到限制。近年来，已有不少报道采用TiCl₄溶液处理纳米管阵列以增加比表面积，虽然有明显的效果，但是其比表面积增加不大，效率提高的也有限。

发明内容

本发明的目的是一种二氧化钛纳米管与纳米棒同轴复合阵列的制备方法，采用阳极氧化与溶剂热（或水热）相结合的方法，在钛基体上制备TiO₂纳米管及纳米棒同轴复合结构的一维阵列，纳米棒同轴生长在纳米管中，很大程度上增加了薄膜的比表面积，并且保持了原来的纳米管结构，为电子传输提供连续通道，理论上可大幅度提高由其作为光阳极组装的DSSC的光电性能。

本发明提供的一种二氧化钛纳米管与纳米棒同轴复合阵列的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）钛片预处理：首先将钛基体表面附着的杂质和氧化皮去除，如分别采用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min，烘干备用；

（2）钛片进行阳极氧化：所采用的电解质溶液为含氟离子的乙二醇溶液，氧化电压30V，氧化时间2h，氧化后将样品取出用去离子水冲洗，烘干；

（3）热处理：将氧化后的钛片在400-600℃进行热处理，保温2h，然后随炉冷却至室温。

（4）溶剂热或水热处理：将经热处理的钛片放入含有尿素和TiCl₃的乙醇和/或水溶液中，其中尿素的浓度为60-200g/L，TiCl₃的含量为200-500mL/L，并一起置于高压釜中，经过两步保温处理，第一步在90-130℃保温40-70min，第二步升温至160-230℃保温60-160min，冷却后取出用去离子水冲洗，烘干。

（5）热处理：经溶剂热或水热处理后的样品在300-600℃进行热处理，保温2h，然后随炉冷却至室温，制备完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用阳极氧化与溶剂热（或水热）处理相结合，在钛基片上制备一维二氧化钛纳米管及纳米棒复合阵列结构，与常规的二氧化钛纳米管阵列薄膜相比，比表面积得到大大的增加，最大提高71%，应用于染料敏化电池中，比表面积的提高利于吸附更多的染料，其光电转换效率比常规二氧化钛纳米管阵列的光电转换效率提高了68%。

附图说明

图1：二氧化钛纳米管溶剂热处理前的表面（a）及截面图（b）；二氧化钛纳米管与纳米棒同轴复合阵列的表面（c）及截面图（d）（e）；

图2：二氧化钛纳米管与纳米棒同轴复合阵列与一维二氧化钛纳米管阵列作为光阳极制备的染料敏化电池的I-V曲线。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步描述本发明，其目的在于更好地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。

实施例1：

将金属钛片进行前期处理，在含氟离子的电解液中30V阳极氧化2h，取出用去离子水冲洗，烘干；在300℃热处理，保温2h；将钛片放入含量为200ml/L的TiCl₃与60g/L的尿素的乙醇溶液中，将此样放入高压釜中，经过两步保温处理。第一步在90℃保温40min，然后升温到210℃保温60min，冷却后取出样品，用去离子水冲洗干净，烘干，进行热处理，热处理工艺与纳米管热处理工艺相同。冷却至室温，样品制备完成。

实施例2：

将金属钛片进行前期处理，在含氟离子的电解液中30V阳极氧化2h，取出用去离子水冲洗，烘干；在450℃热处理，保温2h；将钛片放入含量为250ml/L的TiCl₃与100g/L的尿素的乙醇溶液中，将此放入高压釜中，经过两步保温处理，第一步在100℃保温60min，然后升温到190℃保温120min，冷却后取出样品，用去离子水冲洗干净，烘干，进行热处理，热处理工艺与纳米管热处理工艺相同。冷却至室温，样品制备完成。

实施例3：