[发明专利]一种金属离子掺杂的{001}面暴露的TiO2纳米片的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛纳米材料的制备领域，具体涉及一种金属离子掺杂的高活性{001}面暴露的TiO₂纳米片的制备方法及其光电应用。

背景技术

TiO₂作为一种常见的光阳极材料，具备成本低、耐腐蚀、安全无毒、制备工艺简单等优点，被广泛应用于染料敏化与量子点敏化太阳电池领域，并发挥着负载染料/量子点，接受并运输光生电子，提供电解质扩散通道的作用。通过优化TiO₂光阳极的结构的方式，可起到提高光电子注入效率，加快光电子在TiO₂上的传输速率，以及抑制界面复合反应的效果，从而实现有效提高太阳电池的光电转换效率的目的。

{001}面暴露占优的锐钛矿晶型的TiO₂，不仅受到{001}面表面能最高的影响({001}(0.90J/m²)>{100}(0.53J/m²)>{101}(0.44J/m²))，而且由于{001}面暴露率越高，TiO₂纳米晶的比表面积越大，负载量子点与光散射能力也会越强，进而实现更高的光电转换效率。金属离子掺杂的TiO₂可调控其带隙、平带电位，从而提高其性能。Nb作为一种过渡金属元素，掺杂可使得TiO₂的平带电位正移，提高光生电子注入效率，同时又能将部分Ti⁴⁺还原为Ti³⁺，从而在Ti的3d轨道增加一个电子，提升了电子浓度，减小了TiO₂之间的电子传递能量壁垒，提高了电子传输速率，最终达到增加TiO₂光阳极的电子收集效率的结果。而Nd作为一种镧系元素，具备增强界面电子转移速率的作用，通过金属Nd的掺杂，可以在原有的TiO₂的导带与价带之间中引入新的杂质能级，延长TiO₂对可见光的吸收，起到提高光生电子注入效率的作用。Mg的掺杂使得TiO₂的平带电位负移，进而起到提升开路电压的作用。目前，国际上对Nb、Mg这二种金属掺杂的TiO₂的文献报道均集中在染料敏化太阳电池领域，而对Nd掺杂的TiO₂则之探讨了其在光催化领域的应用。但文献上所报道的掺杂都是针对普通的二氧化钛颗粒，未见金属离子掺杂高活性{001}面TiO₂纳米片材料的报道。

近年来，高活性{001}面暴露的TiO₂纳米片已呈现出非常诱人的光催化和光电性能。因而合成各种金属掺杂的高活性{001}面TiO₂纳米片材料并探究其在量子点敏化太阳电池、染料敏化太阳电池、钙钛矿太阳电池、光催化及光电催化中的应用有重要意义。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有良好光电化学活性的金属离子掺杂的{001}面暴露的TiO₂纳米片。

本发明的目的之二在于提供一种简单快速重现性好的金属离子掺杂的{001}面暴露的TiO₂纳米片的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种金属离子掺杂的{001}面暴露的TiO₂纳米片的制备方法，包括如下步骤：

(1)常温下，在钛源中加入金属盐，充分搅拌得到混合溶液；

(2)向上述混合溶液中加入氢氟酸，进行水热反应；

(3)对产物进行分离、洗涤、干燥、即得到金属离子掺杂的{001}面暴露的TiO2纳米片。

进一步地，所述步骤(1)中所述钛源为钛酸丁酯、钛酸乙酯或四异丙醇钛。

进一步地，所述步骤(1)中所述金属盐为过渡金属、稀土金属或碱土金属的盐酸盐、硝酸盐、醋酸盐。

进一步地，所述步骤(1)中所述金属盐直接使用Nb，Nd，Mg的盐酸盐、硝酸盐、醋酸盐，或由该三种元素所对应的金属氧化物或金属单质通过同硝酸，氢氟酸或过氧化氢等经过氧化还原反应制备而得。

进一步地，所述步骤(1)中所述金属盐同钛源的物质的量的比在1:1000～3:10之间。

进一步地，所述步骤(2)中使用的氢氟酸质量百分比浓度为40％～50％，所使用氢氟酸同钛源的体积比为1:5～1:50。

进一步地，所述步骤(2)中水热反应的反应温度为100℃～300℃，反应时间为6h～96h。