[发明专利]一种制备高度有序二氧化钛纳米管的方法及在染料敏化太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于TiO₂纳米管及染料敏化太阳能电池的技术领域，更加具体地说，涉及TiO₂纳米管作为染料敏化太阳能电池阳极材料及其制备方法。

背景技术

TiO₂纳米管是最近20年来得到许多学者关注的一种新型纳米材料。TiO₂纳米管具有规整的一维结构，稳定的物理和化学性质，较大的比表面积和较好的力学性能。因此，TiO₂纳米管可以广泛应用于染料敏化太阳能电池，气敏传感器，光催化，生物涂层和载药等领域。目前，制备TiO₂纳米管的方法有很多，其中主要应用的制备包括：水热合成法，模板法，和电化学阳极氧化法。水热法制备TiO₂纳米管存在热稳定性很差，模板法制备TiO₂纳米管的成本高，并且严重依赖于模板材料。电化学阳极氧化法与上述两种方法相比具有成本低廉，操作简单，纳米管的几何尺寸可调，纳米管与钛基体之间结合力好，和纳米管排列高度有序等优点，因此，电化学阳极氧化法制备TiO₂纳米管具有广阔的应用前景。近些年许多研究人员采用电化学阳极氧化法制备不同形貌的TiO₂纳米管，阳极氧化的参数决定TiO₂纳米管的表面形貌。但是，目前文献中报道阳极氧化法制备TiO₂纳米管采用的阳极试样均为小尺寸试样（大约10×10×1mm³），而且制备的TiO₂纳米管形貌不能保证整体上的均匀性。TiO₂纳米管要真正的投入应用就必须制备出大尺寸试样（相对于试验用的试样），试样尺寸增大的同时还必须保证阳极氧化之后试样表面TiO₂纳米管的均匀性。因此，扩大阳极氧化试样的面积而且还要保证TiO₂纳米管形貌的整体均匀性依然是不好解决的工艺难题。

染料敏化太阳能电池由Gratzel等最先报道了使用有机染料敏化TiO₂多孔薄膜使其作为光电池阳极以I₃^-/I₂为电解液得到的光电池效率为7.1%-7.9%。接下来，新型染料敏化TiO₂光电池得到了进一步发展，光电转换效率提高至6%-11%。TiO₂染料敏化太阳能电池制备工艺简单，无毒，无害，无污染，是未来有希望能替代传统硅太阳能电池的新型太阳能电池。TiO₂纳米管的特殊规则形貌能够使光生电子定向传递，从而能够减少光生电子和空穴的复合，起到定向传递光生电子的作用。TiO₂纳米管有较大的比表面积，因此可以吸附更多的染料，提高染料敏化太阳能电池的性能。Schmuli等第一次报道了利用阳极氧化制备的TiO₂纳米管作为光电池阳极材料，并且取得了一定的成果。但是，基于未来应用的要求，增大TiO₂纳米管试样的尺寸并且能够保持纳米管形貌均匀，仍然存在较大的困难。

发明内容

本发明的技术目的在于克服现有技术的不足，提供一种在大样品表面均匀制备二氧化钛纳米管规则阵列的方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种制备高度有序二氧化钛纳米管的方法，按照下述步骤进行：将钛在氟化铵—乙二醇体系中进行阳极氧化处理，并对阳极氧化处理后的试样进行热处理，使无定形的TiO₂纳米管转变成锐钛矿的晶体结构

其中在氟化铵—乙二醇体系中，氟化铵的质量百分数为0.5wt%，去离子水的体积百分数为2vol%，乙二醇体积百分数为98vol%。

所述热处理工艺为自室温20-25℃升温至450℃并保温1h，升温速率为6℃/min，加热气氛为空气，保温1h之后，取出试样空冷至室温20-25℃

在进行阳极氧化处理时，阳极氧化时间和电压分别为6h和60V，并在整个反应过程中，保持阳极氧化电解液的温度在25℃。温度控制采用通循环冷却水的方法进行控制。

将上述制备的高度有序二氧化钛纳米管用于染料敏化太阳能电池，将锐钛矿型的TiO₂纳米管进行染料敏化处理和封装

其中选择N719染料敏化处理24h后，N719染料浓度0.5mmol/L，经过封装处理制备成尺寸为70×70×1mm³染料敏化太阳能电池。