[發(fā)明專利]一種刺球狀TiO2

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910761962.1
• 申請(qǐng)日: 2019-08-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110451560B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王東亭;蘇萌;蘇嘉琪;楊海洲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 聊城大學(xué)
• 主分類號(hào): C01G23/053
• 分類號(hào): C01G23/053;H01G9/20;H01G9/042;B82Y30/00;B82Y40/00;C02F1/30
• 代理公司: 青島致嘉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 37236
• 代理人: 李浩成

本發(fā)明公開(kāi)了一種刺球狀TiO₂的綠色制備方法及用途，該種方法以廉價(jià)的TiCl₄原料為鈦源，且不使用其它任何輔助試劑。本發(fā)明方法大大簡(jiǎn)化制備工藝，提升合成質(zhì)量、降低工藝成本，同時(shí)合成的TiO₂具有顆粒尺寸相對(duì)較小、一維基本結(jié)構(gòu)的直徑較小等特點(diǎn)，可使得本發(fā)明所涉及的TiO₂能夠較好的協(xié)調(diào)染料吸附和電荷傳輸兩方面的要求，具有實(shí)現(xiàn)大幅提升光電轉(zhuǎn)化性能的潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)屬于染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料制備技術(shù)領(lǐng)域，其中涉及到一種刺球狀TiO2的綠色制備方法及用途。

技術(shù)背景

染料敏化太陽(yáng)能電池 (DSCs) 以其低廉的成本、簡(jiǎn)單的工藝和相對(duì)較高的光電轉(zhuǎn)換效率而引起了全世界的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前最具有開(kāi)發(fā)潛力的太陽(yáng)能電池之一。染料敏化太陽(yáng)能電池由三部分組成:染料敏化的納米晶多孔光陽(yáng)極，氧化還原電解液和載有催化劑的對(duì)電極。其中，開(kāi)發(fā)高效光陽(yáng)極材料是提高該類電池光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。高效光陽(yáng)極材料通常具有較大的比表面積和快速的電荷傳遞性能。通常來(lái)講，由納米晶顆粒組成的光陽(yáng)極膜往往具有較大的比表面積，從而保證足夠大的染料吸附量，提升光利用效率。然而納米晶薄膜中大量顆粒界面的存在大大降低了載流子傳輸?shù)乃俾剩黾恿穗姾蓮?fù)合的幾率。實(shí)際上，電荷傳輸性能極大的依賴于陽(yáng)極材料的形貌，相比于納米晶顆粒，一維結(jié)構(gòu)，如納米管，納米線等具有較大的電荷傳輸速率，因而構(gòu)建一維納米結(jié)構(gòu)成為降低電荷傳輸阻力、增大傳輸速度的有效途徑。然而，基于一維納米結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽(yáng)能電池在有效克服電荷傳輸性能的同時(shí)，卻伴隨著比表面積的極大損失。因而如何平衡光吸收效率與電荷傳輸性能間的關(guān)系是開(kāi)發(fā)高效DSCs的普遍的、關(guān)鍵的問(wèn)題。

將粒徑較小的結(jié)構(gòu)單元組成微米級(jí)別的結(jié)構(gòu)是有效協(xié)調(diào)和平衡上述兩個(gè)必要條件的一個(gè)重要方法。基于這樣一個(gè)設(shè)計(jì)思想，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制備出具有不同粒徑的TiO₂ 微球。由于以小粒徑TiO2納米晶作為基本單元，因而在提供較大比表面積的同時(shí)能夠在一定程度上降低球形結(jié)構(gòu)內(nèi)部的晶粒界面和缺陷。不僅如此，這種三維的TiO₂通常具有微孔或介孔結(jié)構(gòu)，因而使光波得以進(jìn)入光陽(yáng)極內(nèi)部，大大增加光利用效率。與商業(yè)用TiO₂(P25)和小粒徑的TiO₂相比，該結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)化效率明顯增強(qiáng)。然而由于該三維結(jié)構(gòu)內(nèi)部過(guò)小的基本結(jié)構(gòu)單元粒徑不僅不利于形成內(nèi)建電勢(shì)還會(huì)增加結(jié)構(gòu)內(nèi)部電荷復(fù)合，從而限制了電池性能的進(jìn)一步提升。

增加基本單元的長(zhǎng)徑比為提升染料敏化太陽(yáng)能電池的性能提供了新的研究思路。用于構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的基本單元可以是納米棒、納米束和納米線等。在這種結(jié)構(gòu)中，因1D結(jié)構(gòu)的存在而使電子傳輸?shù)靡约涌欤慌c此同時(shí)，可通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化1D結(jié)構(gòu)的大小而使比表面積得以維系，實(shí)現(xiàn)電子傳輸和染料吸附的有效平衡。不僅如此，在這種分層次結(jié)構(gòu)中光散射性能也必將得到提升。可以推測(cè)，要想提升該類三維結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)化性能，對(duì)于基本單元結(jié)構(gòu)和形貌的調(diào)控至關(guān)重要。Kim等采用水熱法合成多種樹枝狀結(jié)構(gòu)的三維TiO₂，但是該研究采用價(jià)格較高的鈦酸四丁酯為鈦源，因而增加了制備成本；另外，在合成過(guò)程中為控制形貌還額外添加了多種有機(jī)試劑，即乙二醇和十六烷基三甲基溴化銨，不僅增加了支出還加重了環(huán)境負(fù)擔(dān)。

申請(qǐng)?zhí)?01510740402.X公開(kāi)了一種花狀TiO₂/石墨烯光催化劑的制備方法及其應(yīng)用，具體是以四氯化鈦TiCl₄作為鈦源，溴代N-丁基吡啶離子液體作為形狀控制劑，通過(guò)水熱微波法制備而成。但該方法在實(shí)施過(guò)程中只有在借助于形狀控制劑（溴代N-丁基吡啶離子液體）的作用下才能得到花狀TiO₂，這無(wú)疑增加了環(huán)境負(fù)擔(dān)和成本；另外，為最終得到花狀TiO₂還需經(jīng)過(guò)水熱微波處理，而相應(yīng)設(shè)備的使用大大增加了產(chǎn)品的研究成本。而本發(fā)明所涉及開(kāi)發(fā)的合成工藝，無(wú)需任何形狀控制或調(diào)控試劑，同時(shí)也無(wú)需高溫水熱處理。合成過(guò)程更簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和綠色環(huán)保。

截止到目前為止，仍鮮有采用三維樹枝狀或刺球TiO₂結(jié)構(gòu)作為光陽(yáng)極材料的報(bào)道，其中一個(gè)重要的原因可能就是缺少合成該類材料的重要方法。