[发明专利]一种掺杂金属铌二氧化钛纳米片及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米技术、太阳能电池等领域，具体涉及一种掺杂金属铌二氧化钛纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

当今世界能源和环境问题已经成为各国关注的焦点。随着世界对能源消耗量的逐年递增，能源问题已经成为制约社会经济发展的瓶颈。而煤、石油、天然气等不可再生能源的日益枯竭，可再生能源已经成为当今世界新型替代能源的选择。太阳能作为一种绿色可再生能源具有广阔的应用前景，因此对太阳能的高效利用是解决能源枯竭的重要途径。

染料敏化太阳电池以其制备工艺简单，原材料成本低廉，其成本只有硅太阳电池的1/5～1/10，已经成为各国科研工作者研究的热点。目前，染料敏化太阳电池报道的最高效率在12%左右，与其理论效率还有很大的差距。对于如何提高其电池效率，目前主要集中在新型电解质和具有宽光谱响应范围的新染料的制备方面。而对于染料敏化太阳电池的电极材料多孔二氧化钛半导体薄膜电极的研究却很少。特别是对于通过掺杂其它金属元素来调制二氧化钛半导体的费米能级和材料本身的电导率，以及掺杂后的材料应用于染料敏化太阳电池对其电池效率的影响几乎还没有相关的研究。

为了有效的提高染料敏化太阳电池的光电转换效率，本发明制备了一种金属铌掺杂的二氧化钛纳米片新型半导体材料，通过铌的掺杂可以有效提高材料本身的电导率，降低其导带能级，从而有利于电子的注入和传输进而提高电池效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺杂金属铌（Nb）二氧化钛纳米片及其制备方法和应用。

本发明提供了一种掺杂金属铌二氧化钛纳米片（铌掺杂二氧化钛纳米片），该纳米片主体结构的晶型为锐钛矿型TiO₂，呈方形薄片，长度和宽度在30-100纳米之间，厚度为2-7纳米，上下表面为TiO₂（001）晶面；该纳米片中金属铌（Nb）的摩尔百分含量在1%-20%之间。

本发明还提供了所述掺杂金属铌二氧化钛纳米片的制备方法，该方法的具体步骤如下：

（1）按Nb/(Ti+Nb)（摩尔比）1%～20%的掺杂比将五乙氧基铌（Nb(OEt)₅）加入到钛源中，搅拌下加入0.5～1.5毫升氢氟酸（晶体形貌控制剂），持续搅拌15分钟得到澄清的铌掺杂氧化钛溶液；

（2）将步骤（1）得到的铌掺杂氧化钛混合溶液放入有聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中；

（3）将步骤（2）的不锈钢反应釜密闭后放入恒温干燥箱中，在160～200℃下保温12～24小时，然后自然冷却至室温，得到白色沉淀；

（4）将步骤（3）所得到的白色沉淀物依次用乙醇和去离子水反复清洗，之后放入恒温干燥箱中60～100℃（优选为60℃）干燥24～48小时，取出研磨，最终得到掺杂金属铌二氧化钛纳米片。

本发明提供的所述掺杂金属铌二氧化钛纳米片的制备方法，所述步骤（1）中的钛源为钛酸四正丁酯、钛酸异丙酯、四氯化钛中的一种或几种（优选为钛酸四正丁酯）。

本发明提供的所述掺杂金属铌二氧化钛纳米片的制备方法，所述步骤（4）中制备得到的掺杂金属铌二氧化钛纳米片的结构是平均长度和宽度为50纳米，平均厚度为5纳米的长方体薄片，上下底面为高活性的（001）晶面，晶型为锐钛矿型。

本发明提供了所述掺杂金属铌二氧化钛纳米片的应用，该纳米片作为电池负极，制备染料敏化太阳电池。

本发明提供的锐钛矿型铌掺杂二氧化钛纳米片用于制备染料敏化太阳电池的方法如下：

（1）铌掺杂二氧化钛纳米片半导体薄膜电极的制备：称取1.0～8.0克的铌掺杂二氧化钛纳米片将其分散在40～120毫升的乙醇中，之后依次加入0.5～4.0克的乙基纤维素和4.0～32克的松节油透醇，持续搅拌溶液2～4小时后，将溶液超声5分钟在搅拌5分钟此过程重复3次，之后将铌掺杂二氧化钛纳米片悬浊液在40℃下旋转蒸发乙醇1～6小时得到铌掺杂TiO₂纳米片浆料。将所得浆料经丝网印刷将其印在洗净的氟掺杂氧化锡（FTO）导电玻璃上，并在450～500℃高温烧结45～60分钟，然后将制备好的铌掺杂TiO₂纳米片薄膜电极浸泡在配好的N719染料溶液中（乙腈/叔丁醇（体积比为1:1）为混合溶剂配制浓度为300微摩尔/升的N719联吡啶钌染料溶液含1毫摩尔/升的共吸附剂鹅去氧胆酸（cheno）），时间为18～24小时。