[发明专利]一种三维TiO2网状纳米材料、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池领域，具体涉及一种三维TiO₂网状纳米材料、制备方法及在光催化、光化学、锂电池或太阳能电池中的应用。

背景技术

能源问题是制约目前世界经济发展的首要问题，太阳能作为一种取之不尽用之不竭，无污染洁净的天然绿色能源而成为最有希望的能源之一。目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是硅系太阳能电池，但硅系电池原料成本高，生产工艺复杂，效率提高潜力有限，其光电转换效率的理论极限值为30%，限制了其民用化，急需开发低成本的太阳能电池。

1991年瑞士学者等在Nature上发表文章，提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳米晶薄膜为光阳极的太阳能电池，其具有制作简单、成本低廉、效率高和寿命长等优点，光电转换效率目前可以达到11%以上，因此成为新一代太阳能电池的主要研究方向。

二氧化钛纳米晶薄膜是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，其承载着染料的吸附，电子的传输和对入射光的散射等任务。目前，二氧化钛纳米晶的形貌主要包括：纳米粒子、纳米球、纳米棒和纳米管等等。高比表面积二氧化钛纳米晶一直是染料敏化太阳能电池光阳极材料所追求的对象。主要制备方式包括：水热合成法、气相沉积法、溶胶—凝胶法、水解沉淀法等等。制备出的材料的比表面积大概在100m²/g左右。在染料敏化太阳能电池中，具有大比表面积二氧化钛光阳极材料有着广泛的前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种二氧化钛材料及其制备方法。

本发明提供一种三维TiO₂网状纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

称取0.05～0.15g二氧化钛加入到60～80mL、浓度为5～10mol/L的氢氧化钠溶液中，磁力搅拌5～20分钟，然后将混合溶液转移到水热釜中，在120～150℃条件下水热反应30～300分钟；自然降温到室温后打开水热釜，倒出反应物进行离心操作，离心速率为10000～15000转/分钟；将离心产物分别用浓度为0.1～0.2mol/L的稀盐酸和去离子水洗涤并离心，各重复3～5次；把最后的离心产物于60～80℃条件下真空烘干8～10小时；将烘干后的粉体于400～500℃条件下烧结2～5小时，升温速率为2～10℃/min，自然降温到室温，从而得到本发明所述的三维TiO₂网状纳米材料。

本发明提供一种三维TiO₂网状纳米材料，其是由上述方法制备的。

本发明的有益效果：该制备方法效率高、成本低、方法简单、实验周期短、制得的二氧化钛的比表面积大以及连接性好，可以用于大批量生产高比表面积的二氧化钛。由于该方法制得的二氧化钛具有超高比表面积，所以可以广泛应用于光催化、光化学、锂电池以及太阳能电池等领域。

将本发明所述的三维TiO₂网状纳米材料作为光阳极材料用于制备染料敏化太阳能电池，其是将上述的三维TiO₂网状纳米材料溶于水制备成浆料，然后用刮涂法刮涂于FTO导电玻璃上，再于450～500℃烧结30～60分钟，升温速率1～3min/℃，烧结后得到光阳极材料薄膜的厚度为12～20μm。

附图说明

图1：本发明实施例1制备的三维TiO₂网状纳米材料放大4万倍的扫描电镜图片；

图2：本发明实施例2制备的三维TiO₂网状纳米材料放大4万倍的扫描电镜图片；

图3：本发明实施例1制备的三维TiO₂网状纳米材料的透射扫描电镜图片；

图4：本发明实施例1制备的三维TiO₂网状纳米材料的XRD图；

图5：本发明实施例1制备的三维TiO₂网状纳米材料的氮气吸附脱附曲线；

图6：本发明实施例1制备的三维TiO₂网状纳米材料的孔径分布曲线。

图7：本发明实施例1制备的二氧化钛材料所组装成电池（D.H.Chen,F.Z.Huang,Y.B.Cheng,R.A.Caruso,Adv.Mater.2009,21,2206）的电流-电压曲线。

由图1和图2可知，实施例1和实施例2制备的二氧化钛材料由长短不一的脉络链接而成，从而形成大小不规则的孔洞结构，看上去像蜘蛛网一样疏松多孔，并且具有良好的连接性。