一種具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球及其制備方法和應(yīng)用。所制備的多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球具有較高的比表面積和較好的紫外和可見光散射性能，將其用于染料敏化太陽能電池器件的散射層，可提高染料敏化太陽能電池的電流密度，從而提高其光電轉(zhuǎn)化效率。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化鈦由于具有較高的禁帶寬度、無毒、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在光催化降解有機(jī)物、光解水制氫氣、染料敏化太陽能電池等領(lǐng)域，從而一直受到科學(xué)工作者的關(guān)注。在染料敏化太陽能電池中，光散射材料要求具有較低的電子-空穴復(fù)合以提高電子傳輸性能，較高的比表面積以吸附更多染料，較大的粒徑以增強(qiáng)對可見光的散射，從而提高光電轉(zhuǎn)化效率。然而，目前常用的光散射材料如T12微球、空心球T12、多殼Ti02、棒狀結(jié)構(gòu)T12等，很難同時滿足這些條件。因此，制備具有較大的比表面積且具有較好的紫外和可見光散射性能的多級結(jié)構(gòu)T12—直是近年研宄的熱點(diǎn)。目前制備多級結(jié)構(gòu)T1 2的方法主要有水熱法、脈沖激光沉積、物理氣相沉積、“兩步法”等。這些方法一般工藝復(fù)雜，耗能很高，且不能連續(xù)，很難實(shí)現(xiàn)多級結(jié)構(gòu)1102的工業(yè)化生產(chǎn)。噴霧干燥法，具有工藝成熟，制備快速、操作簡單、連續(xù)化等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在食品藥品，無機(jī)半導(dǎo)體材料的制備上。本發(fā)明專利通過噴霧干燥、煅燒、刻蝕、干燥過程，制備了介孔和大孔共存的多級孔結(jié)構(gòu)的T12微球。該多級孔結(jié)構(gòu)T12微球具有較大的比表面積和較好的紫外和可見光散射性能，將其用于染料敏化太陽能電池器件的散射層，可同時提高染料敏化太陽能電池的電流密度和電壓，從而提尚其光電轉(zhuǎn)化效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于以上問題，本申請?zhí)峁┮环N多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球及其制備方法和應(yīng)用。
[0004]本申請的構(gòu)思如下:
[0005]前驅(qū)體溶液通過噴霧干燥形成微球，經(jīng)過煅燒、刻蝕、干燥，得到一種具有多級孔結(jié)構(gòu)的T12微球。該多級孔結(jié)構(gòu)的T12微球由納米二氧化鈦顆粒聚集而成，且同時存在介孔和大孔，具有較大的比表面積和較好的紫外和可見光散射性能，可用于染料敏化太陽能電池器件的散射層，提高染料敏化太陽能電池的電流密度，從而提高其光電轉(zhuǎn)化效率。
[0006]具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球，所述二氧化鈦微球是由5?20nm的二氧化鈦顆粒聚集而成的直徑為2?5 μ??的微球；所述微球的比表面積為40?130m2/g，所述微球中具有孔徑為5?20nm的介孔和20?10nm的大孔，其中，介孔和大孔的比例為1:
2.5 ?1:3.5o
[0008]一種具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球的制備方法，包括如下步驟:
[0009](I)將四氯化鈦溶解于去離子水，形成濃度為0.1?lmol/L的四氯化鈦溶液；再在所述四氯化鈦溶液中加入S12納米顆粒，均勻分散后形成懸濁液；所述懸濁液以2?5ml/min的速率進(jìn)入霧化噴嘴，霧化后進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)生成鈦的絡(luò)合物包覆Si02m米顆粒的復(fù)合微球；
[0010]所述四氯化鈦與S12納米顆粒的質(zhì)量比為4:1?12:1 ;
[0011]所述霧化噴嘴的的進(jìn)口溫度為200?280°C，出口溫度為100?180°C ；
[0012](2)以2?10°C /min的升溫速率進(jìn)行升溫，在425?475°C下于空氣中煅燒I?3小時；
[0013](3)用濃度為10?20%的氫氟酸刻蝕步驟⑵中煅燒后微球中的S12，時間為10?20分鐘；
[0014](4)通過離心機(jī)將刻蝕后的產(chǎn)物分離出來，得到所述具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球。80 °C干燥2小時可用。
[0015]上述具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球的應(yīng)用，所述二氧化鈦微球用于染料敏化太陽能電池器件的散射層。
[0016]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):制備過程反應(yīng)快速，操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)；產(chǎn)物用于染料敏化太陽能電池器件的散射層，組裝的染料敏化太陽能電池的電流密度提高了35.7?62.0%，其光電轉(zhuǎn)化效率提高了 26.4?51.rI %。
【附圖說明】
[0017]圖1是實(shí)施例1產(chǎn)品的SEM圖；
[0018]圖2是實(shí)施例1產(chǎn)品的孔徑分布圖；
[0019]圖3是實(shí)施例1產(chǎn)品的紫外和可見光散射圖；
[0020]圖4是實(shí)施例1的產(chǎn)品作為太陽能電池散射層的短路電流-開路電壓圖；
[0021 ] 圖5是實(shí)施例2產(chǎn)品的SEM圖；
[0022]圖6是實(shí)施例2產(chǎn)品的孔徑分布圖；
[0023]圖7是實(shí)施例2產(chǎn)品的紫外和可見光散射圖；
[0024]圖8是實(shí)施例2的產(chǎn)品作為太陽能電池散射層的短路電流-開路電壓圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要在此指出的是以下實(shí)施例只用于對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026]實(shí)施例1
[0027]四氯化鈦溶解于去離子水中(濃度為0.lmol/L)，將3102納米顆粒均勻分散到溶液中形成懸濁液(四氯化鈦與S12納米顆粒的質(zhì)量比為12:1)，注入霧化噴嘴(進(jìn)料速率為3ml/min，壓力為0.1MPa)，經(jīng)霧化氣體霧化后進(jìn)入反應(yīng)器。溶液中的水在高溫(例如，250°C )下氣化。四氯化鈦和水分子在高溫下發(fā)生水解反應(yīng)，生成鈦羥基絡(luò)合物納米顆粒。鈦羥基絡(luò)合物納米顆粒在3102周圍聚集以降低表面能，形成鈦的絡(luò)合物包覆Si02m米顆粒的復(fù)合微球。空氣中450°C煅燒2小時，用濃度為15%的氫氟酸將微球中的S12刻蝕，得到多級孔結(jié)構(gòu)T12微球。該多級孔結(jié)構(gòu)T1 2微球直徑為2?5 μ m，介孔孔徑5?20nm，大孔孔徑20?80nm，介孔和大孔的比例為1:2.5，其比表面積為78.3m2/g，其組裝的光陽極薄膜的光散射性能提高了 21.5%，染料敏化太陽能電池的電流密度為13.41mA/cm2，光電轉(zhuǎn)化效率為7.23%。
[0028]圖1?4分別是產(chǎn)品的SEM圖、孔徑分布圖、紫外和可見光散射圖以及作為太陽能電池散射層的短路電流-開路電壓圖。
[0029]實(shí)施例2
[0030]四氯化鈦溶解于去離子水中(濃度為0.1mo 1/L)，將S12納米顆粒分散到溶液中形成懸濁液(四氯化鈦與S12納米顆粒的質(zhì)量比為4:1)，注入霧化噴嘴(進(jìn)料速率為3ml/min，壓力為0.1MPa)，經(jīng)霧化氣體霧化后進(jìn)入反應(yīng)器。溶液中的水在高溫(250度)下氣化。四氯化鈦和水分子在高溫下發(fā)生水解反應(yīng)，生成鈦羥基絡(luò)合物納米顆粒。鈦羥基絡(luò)合物納米顆粒在3102周圍聚集以降低表面能，形成鈦的絡(luò)合物包覆S12納米顆粒的復(fù)合微球。空氣中450°C煅燒2小時，用濃度為15%的氫氟酸將顆粒中S12刻蝕，得到多級孔結(jié)構(gòu)T12O顆粒直徑為2?5 μ m，介孔孔徑5?20nm，大孔孔徑20?lOOnm，介孔和大孔的比例為1:3.5，其比表面積為116.2m2/g，其組裝的光陽極薄膜的光散射性能提高了 23.3%，染料敏化太陽能電池的電流密度為16.0lmA/cm2，光電轉(zhuǎn)化效率為8.68%。
[0031]圖5?8分別是產(chǎn)品的SEM圖、孔徑分布圖、紫外和可見光散射圖以及作為太陽能電池散射層的短路電流-開路電壓圖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球，其特征在于，所述二氧化鈦微球是由5?20nm的二氧化鈦顆粒聚集而成的直徑為2?5 μπι的微球；所述微球的比表面積為40?130m2/g，所述微球中具有孔徑為5?20nm的介孔和20?10nm的大孔，其中，介孔和大孔的比例為1:2.5?1:3.5。
2.一種具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將四氯化鈦溶解于去離子水，形成濃度為0.1?lmol/L的四氯化鈦溶液；再在所述四氯化鈦溶液中加入Si02m米顆粒，均勾分散后形成懸池液；所述懸池液以2?5ml/min的速率進(jìn)入霧化噴嘴，霧化后進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)生成鈦的絡(luò)合物包覆S12納米顆粒的復(fù)合微球； 所述四氯化鈦與S12納米顆粒的質(zhì)量比為4:1?12:1 ; 所述霧化噴嘴的進(jìn)口溫度為200?280°C，出口溫度為100?180°C ； (2)以2?10°C/min的升溫速率進(jìn)行升溫，在425?475°C下于空氣中煅燒I?3小時； (3)用濃度為10?20%的氫氟酸刻蝕步驟⑵中煅燒后微球中的S12，時間為10?20分鐘； (4)通過離心機(jī)將刻蝕后的產(chǎn)物分離出來，得到所述具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述二氧化鈦微球是由5?20nm的二氧化鈦顆粒聚集而成的直徑為2?5 μ??的微球；所述微球的比表面積為40?130m2/g，所述微球中具有孔徑為5?20nm的介孔和20?10nm的大孔，其中，介孔和大孔的比例為1:2, 5 ?I:3.5o
4.權(quán)利要求1所述具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球的應(yīng)用，其特征在于，所述二氧化鈦微球用于染料敏化太陽能電池器件的散射層。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球及其制備方法和應(yīng)用。所述具有多級孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦微球的直徑為2～5μm，由5～20nm的納米二氧化鈦顆粒聚集而成，其比表面積為40～130m2/g，且同時存在孔徑為5～20nm的介孔和20～100nm的大孔，介孔和大孔的比例為1：2.5～1：3.5。所述的具有多級孔結(jié)構(gòu)的TiO2微球具有較大的比表面積和較好的紫外和可見光散射性能，應(yīng)用于染料敏化太陽能電池器件的散射層，可提高染料敏化太陽能電池的電流密度，從而提高其光電轉(zhuǎn)化效率。
【IPC分類】H01G9-20, C01G23-053
【公開號】CN104773756
【申請?zhí)枴緾N201510144034
【發(fā)明人】胡彥杰, 李春忠, 劉鵬飛, 王斌淇, 江浩
【申請人】華東理工大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年3月30日