一种多孔锐钛矿型TiO2纳米线束的制备方法及用途与流程

本发明属于染料敏化太阳能电池制备技术领域，具体涉及到一种多孔锐钛矿型tio2纳米线束的制备方法及用途。

技术背景

染料敏化太阳能电池(dscs)以其低廉的成本、简单的工艺和相对较高的光电转换效率而引起了全世界的广泛关注，成为当前最具有开发潜力的太阳能电池之一。染料敏化太阳能电池由三部分组成:染料敏化的纳米晶多孔光阳极，氧化还原电解液和载有催化剂的对电极。其中，开发高效光阳极材料是提高该类电池光电转化效率的关键。设计开发的光阳极材料一般应同时具备改善dsc的性能的两个关键参数：（i）改进的电子传输性能以克服与电解质的电荷复合；（ii）更大的表面积以吸收更多的染料敏化剂分子。通常来讲，由纳米晶颗粒组成的光阳极膜往往具有较大的比表面积，从而保证足够大的染料吸附量，提升光利用效率。然而纳米晶薄膜中大量颗粒界面的存在大大降低了载流子传输的速率，增加了电荷复合的几率。实际上，电荷传输的性能极大的依赖于光阳极材料的形貌，相比于纳米晶颗粒，一维结构，如纳米管，纳米线等具有较大的电荷传输速率，因而构建一维纳米结构成为降低电荷传输阻力、增大传输速度的有效途径。然而，基于一维纳米结构的染料敏化太阳能电池在有效克服电荷传输性能的同时，却又面临着比表面积极大减小的问题。因而，对比与常规的纳米颗粒，限制一维纳米结构光电转化性能的关键因素即为比表面积，换而言之，比表面积成为提升一维纳米结构设备性能的最重要可调控因素。

一维纳米线通常具有较大的直径和长度，这也是造成其比表面积降低的主要原因。从这一点出发，如何在一维纳米线的基础上通过修饰改性增加其比表面积成为提升该类结构电池性能的关键。近年来，构建1-d/0-d纳米复合物成为克服一维结构不足的重要手段，所构建的复合结构不仅保证了电荷的有效传输也可以在一定程度上弥补纳米线比表面积不足的缺陷，从而有效的提升了光电转化性能。除上述方法外，在不引入零维结构的条件下，在原纳米线的基础上调控其孔结构被视为可以大幅提升染料吸附量，进而提升光电流和光电转化效率的一个有效途径。其具体采用的研究方法多为首先在纳米线原料液中引入聚合物或形貌调控剂，然后借助于高温煅烧对孔结构进行调控。例如jang等首先在原料液中加入原硅酸四乙酯，经高温煅烧和hf刻蚀处理后得到孔结构可调的多孔tio2纳米线。测试结果表明，多孔tio2纳米线的比表面积为普通纳米线比表面积9倍，这一优势使得所制备电池的光电流和光电转化效率均大幅提升。

但是，上述技术存在如下缺陷：1.现有研究仅限于在一维tio2纳米线表面负载零维纳米颗粒和增加孔结构方向，缺乏新的能够有效平衡电荷传输和比表面积的制备方法；2.现有的制备方法在合成过程中需要加入聚合物或其它钛源，不利于降低生产成本；3.现有的制备工艺需要进行高温煅烧处理，不仅使制备过程过于繁琐也不利于降低电能的消耗。

技术实现要素：

本发明目的在于：（1）设计开发具有一定孔结构和较大比表面积、能够兼具有效电荷传输和较强染料吸附功能的新材料，即一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束。（2）在保证形貌结构特点的基础上，减少或避免有机溶剂、酸碱性尤其是强酸强碱性试剂的使用、简化合成工艺，达到节约成本和降低能耗的目的。

一种多孔锐钛矿型tio2纳米线束的制备方法，步骤为：

（1）称量h2tio3纳米线加入至烧杯中，然后再加入纯净水，得到溶液a；

（2）将溶液a转移至反应釜中，于80-240℃下反应24h；

（3）反应完成后，即可除去上层液体，然后直接将白色沉淀物在40-100℃下干燥，即可得到一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束。

进一步的，步骤（2）于160℃下反应24h。

进一步的，步骤（3）将白色沉淀物在60℃下干燥。

进一步的，步骤（1）h2tio3纳米线与纯净水的用量比为0.1：5-80（g/ml）。

进一步的，步骤（3）干燥时间为24h。

进一步的，上述制备方法制得的多孔锐钛矿型tio2纳米线束在染料敏化太阳能电池中的应用。

进一步的，上述制备方法制得的多孔锐钛矿型tio2纳米线束在废水光催化降解中的应用。

本发明提供的制备方法具有以下优点：

1.本发明合成的多孔锐钛矿型tio2纳米线束尚未见报道，丰富了基于一维tio2光阳极材料性能调控的手段，可望实现对基于一维tio2电池性能的更大幅度提升；

2.可简化制备工艺，提升合成质量、降低工艺成本。

附图说明

图1.一维h2tio3纳米线tem图；

图2.一维多孔tio2纳米线束tem图；

图3.一维多孔tio2纳米线束xrd图；

图4.一维多孔tio2纳米线束iv图；

图5.一维多孔tio2纳米线束作为光催化剂时，rhb的浓度变化曲线。

具体实施方式

实施例1：一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束的制备方法，步骤如下：

（1）称量0.3gh2tio3纳米线加入100ml烧杯中，然后加入40ml纯净水，得到溶液a；

（2）将上述溶液（即溶液a）转移至100ml的反应釜中，于85℃下反应24h；

（3）反应完成后经离心除去上层液体，然后将白色沉淀物在40℃下干燥24h，得到一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束。

实施例2：一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束的制备方法，步骤如下：

（1）称量0.4gh2tio3纳米线加入100ml烧杯中，然后加入20ml纯净水，得到溶液a；

（2）将上述溶液（即溶液a）转移至100ml的反应釜中，于240℃下反应24h；

（3）反应完成后经离心除去上层液体，然后将白色沉淀物在100℃下干燥24h，得到一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束。

实施例3：一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束的制备方法，步骤如下：

（1）称量0.2gh2tio3纳米线加入100ml烧杯中，然后加入100ml纯净水，得到溶液a；

（2）将上述溶液（即溶液a）转移至100ml的反应釜中，于160℃下反应24h；

（3）反应完成后经离心除去上层液体，然后将白色沉淀物在60℃下干燥24h，得到一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束。

结合图1、2和3可知，本发明所设计h2tio3纳米线束具有明显的一维结构特征，但同时也具有较大的直径和长度（直径约100-300纳米，长度大于1微米，有的甚至超过10微米）。经水热处理后，纳米线结构发生明显变化，在整体维持其一维结构特征的基础上，其最小基本单元发生了变化，出现明显的孔结构，不仅如此，经水热处理所形成的更小结构单元本身也具有一维的特征且彼此相连，总体表现为束状结构。其晶相组成为活性较高的锐钛矿型，有利于提升染料的降解效率。

实施例4一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束用于染料敏化太阳能电池

（1）称取一定量所制备tio2纳米线并加入粘度调节剂（如纤维素、松油醇等），研磨1h后利用刮涂法将其涂于导电玻璃基底（fto）上，经干燥、煅烧和染料敏化后得到tio2光阳极薄膜。

（2）将所得tio2光阳极膜跟铂电极组装成三明治结构电池，并测试其i-v性能。测试结构显示，其开路电压、光电流、填充因子和光电转化效率分别为0.724v、14.9ma/cm²、0.67以及7.23%（见图4）。

实施例5一维多孔锐钛矿型tio2纳米线束用于染料废水光催化降解

（1）称取一定量所制备tio2纳米线将其加入100ml水中，经超声30min后向其中加入染料rhb，并在暗箱中搅拌30min。

（2）开启光源，间隔不同时间进行取样，然后分析其浓度变化。结果显示，经可见光光照100min后rhb的降解率几乎达到100%（见图5）。