[发明专利]一种小粒径板钛矿二氧化钛纳米粉体及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种小粒径板钛矿二氧化钛(TiO₂)纳米粉体及其制备方法和在染料敏化太阳能电池中的应用，属于新材料和太阳能电池技术领域。

背景技术

20世纪以来，新能源尤其是可再生绿色能源的开发与利用已成为世界各国所关注的焦点问题之一。其中，染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs)因具有光电转换效率较高和成本较低等优点而受到了人们的广泛关注。与传统的硅基光伏电池不同的是，DSSCs可以将光的吸收和电荷转移过程分离，且具有成本低和制作工艺简单等优点，因而成为太阳能电池领域的一个研究热点。其中，纳米TiO₂因具有无毒、高热稳定性和化学稳定性、耐光腐蚀等优点而成为DSSCs领域研究最多的光阳极多孔膜材料。一般而言，吸附更多的染料分子和快速输运光生电子是纳米TiO₂多孔膜必须具备的性能；而TiO₂的晶型、能带结构、形貌及其表/界面性质等对染料的吸附、光生电子的输运以及DSSCs的光电化学过程等会产生明显的影响。

在自然界存在的三种TiO₂晶相中，锐钛矿TiO₂纳米材料广泛用于DSSCs光阳极的制备，而关于使用板钛矿TiO₂作为DSSCs的光阳极多孔膜材料的研究非常罕见。与锐钛矿TiO₂基DSSCs相比，板钛矿TiO₂基DSSCs的光电转换效率要低得多。这主要是受到板钛矿TiO₂的染料吸附量较低和电子收集效率较差等因素的限制。但是，理论和实验结果表明，板钛矿TiO₂具有比锐钛矿TiO₂更负的平带电位和费米能级，且板钛矿TiO₂表面较低的活性可以减少电荷复合，从而可望获得更高的DSSCs开路电压。此外，板钛矿TiO₂是一种对称性较低的斜方晶系结构，其对电荷载流子的形成的影响非常小，且用于DSSCs池中可呈现形状较好的光电转换行为谱。上述性能优势逐渐吸引了人们的注意，也为提高DSSCs的光电转换性能提供了新的思路。不过，因为板钛矿TiO₂为热力学亚稳相，传统的化学合成方法往往难以获得晶相纯度和结晶度均较高的纯板钛矿TiO₂材料；而为数不多的文献报道所合成的纯板钛矿TiO₂均为粒径较大的纳米或亚微米颗粒。上述因素限制了板钛矿TiO₂在DSSCs中的应用和其电池效率的提高。由此可见，寻求新的合成方法获得小粒径板钛矿TiO₂纳米粉体，克服其染料吸附量较低和电子收集效率较差的固有缺陷，从而提高板钛矿基DSSCs的光电转换效率具有重要的理论价值和现实意义。

发明内容

为了克服板钛矿TiO₂的染料吸附量较低和导电性较差的固有缺陷，本发明提供了一种具有高晶相纯度和热稳定性的粒径更小的板钛矿TiO₂纳米粉体及其合成方法。采用简单的水热法制备得到了一种粒径约为10nm的小粒径板钛矿TiO₂纳米粉体，该产物中还含少量的长度约为100nm的板钛矿TiO₂纳米棒。这种小粒径板钛矿TiO₂纳米粉体可有效地提高板钛矿TiO₂多孔膜的比表面积，利于增大光阳极多孔膜的染料吸附量，从而弥补板钛矿TiO₂表面染料锚定吸附位点密度低的缺陷，进而提高板钛矿TiO₂基DSSCs的光电转换效率。

本发明所采用的技术方案具体如下：

一种小粒径板钛矿二氧化钛纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：

1)冰水浴条件下，将四氯化钛滴加到去离子水中，然后依次加入尿素固体、乳酸钠溶液和硝酸铅溶液，搅拌均匀，得到前驱体溶液；

2)将步骤1)所得的前驱体溶液转移到水热釜中200℃水热反应20h；

3)对步骤2)得到的产物依次进行离心分离、洗涤、干燥，然后以2℃/min的速率升温至500℃，煅烧3h，即得到小粒径板钛矿TiO₂纳米粉体。

步骤1)中，所述四氯化钛和去离子水的质量比为1:15，所述四氯化钛和尿素的质量比为1:1.8，乳酸钠溶液中乳酸钠的浓度为60wt％，所述的去离子水和乳酸钠溶液的体积比为1:8，所述四氯化钛和硝酸铅的摩尔比为99:1。