Er摻雜納米晶TiO<sub>2</sub>的製備方法
2023-05-31 09:51:01 3
專利名稱：Er摻雜納米晶TiO2的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種&摻雜TiO2的製備方法。
背景技術：
染料敏化太陽能電池近年來受到世界範圍內的持續的關注，逐漸成為研究的熱 點，用於染料敏化太陽能電池的光陽極材料主要有TiO2, ZnO, SnO2等，TiO2由於低廉 的價格，快速的電子-空穴分離成為染料敏化太陽能電池的光陽極材料，TiO2是一種寬禁 帶半導體，對光的吸收範圍窄，只有能量大於或等于禁帶寬度的紫外線才能激發TiO2產 生光催化和光化學反應，而紫外線僅佔太陽自然光輻射的3% 5%左右，同時電子-空 穴容易複合，載流子產率低，直接影響光催化和光化學效果，因此，各種辦法用來擴大 沉02對太陽光的光譜響應範圍並抑制電子_空穴的複合，研究表明，稀土離子的摻雜能有 效改善TiO2的本徵半導體性質，稀土離子取代TiO2中的Ti使TiO2在不降低紫外光下活性 的同時對太陽光的光譜響應範圍變大，可以有效的拓展TiO2的光譜響應範圍，提高其對 可見光的利用率。目前摻雜TiO2主要有以下幾種方法高溫熱處理法，磁控濺射法，脈 衝激光沉積法，機械化學法和溼化學法，但是這些方法還普遍存在著離子摻雜含量低、 可見光活性差、載流子濃度低的問題。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有摻雜TiO2的方法存在的離子摻雜含量低、可見光 活性差、載流子濃度低的問題，而提供了Er摻雜納米晶TiO2的製備方法。本發明&摻雜納米晶TiO2W製備方法按照以下步驟進行一、在磁力攪拌轉度 為100 120r/min的條件下，將0.198 1.98g的五水硝酸鉺溶解於40mL無水乙醇中， 再加入IOmL去離子水和IOmL冰醋酸得到硝酸鉺混合液；二、在磁力攪拌轉度為100 120r/min的條件下，將20mL鈦酸四丁酯溶於40mL無水乙醇中即得到鈦酸四丁酯醇溶 液；三、在冰水浴中，磁力攪拌轉度為100 120r/min的條件下，將步驟一的硝酸鉺混 合液以30 40滴/min的速度加入到步驟二的鈦酸四丁酯醇溶液中得到混合液；四、步 驟三的混合液靜置22 26h後，在90 110°C條件下乾燥6 8h，得到幹凝膠；五、 步驟四的幹凝膠置於馬弗爐中，馬弗爐以1 3°C/min的速度升溫至600 800°C，保溫 6 8h，即得到Er摻雜納米晶TiO2。本發明的方法合理的控制了反應條件，將Er摻雜到TiO2中，解決了的金屬離子 摻雜不均勻，不易摻雜到晶格中的問題，本發明方法得到的Er摻雜納米晶TiO2W分子式 為TihErxO2,式中X = 0.01 0.1，本發明得到的&摻雜納米晶TiO2中離子摻雜含量 高；本發明得到的&摻雜納米晶TiO2電子-空穴複合被有效抑制，載流子濃度增加， 光譜響應範圍擴大，且本發明得到的Er摻雜納米晶TiO2對可見光電流轉化率高，以本 發明上轉換發光材料&摻雜納米晶TiO2為染料敏化太陽能光陽極的光電流轉化率提高了 10% 60%;本發明得到的&摻雜納米晶TiO2用於薄膜染料敏化太陽能電池，光生電流明顯增大，通過調控在Er的量來擴大TiO2對太陽光的光譜響應範圍及相應強度；本發明 得到的&摻雜納米晶TiO2可見光活性好、載流子濃度高。
圖1是具體實施方式
i^一得到的&摻雜納米晶TiO2的XRD圖，其中A表示銳 鈦礦；
圖2是具體實施方式
十一得到的&摻雜納米晶TiO2的SEM圖； 圖3是具體實施方式
十一得到的&摻雜納米晶TiO2的上轉化發光譜圖； 圖4是具體實施方式
十一得到的&摻雜納米晶TiO2的SPS圖； 圖5是具體實施方式
十一得到的&摻雜納米晶TiO2的UV-VIS圖譜。
具體實施例方式本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間 的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式Er摻雜納米晶TiO2的製備方法按照以下步驟進 行一、在磁力攪拌轉度為100 120r/min的條件下，將0.198 1.98g的五水硝酸鉺溶 解於40mL無水乙醇中，再加入IOmL去離子水和IOmL冰醋酸得到硝酸鉺混合液；二、 在磁力攪拌轉度為100 120r/min的條件下，將20mL鈦酸四丁酯溶於40mL無水乙醇 中即得到鈦酸四丁酯醇溶液；三、在冰水浴中，磁力攪拌轉度為100 120r/min的條件 下，將步驟一的硝酸鉺混合液以30 40滴/min的速度加入到步驟二的鈦酸四丁酯醇溶 液中得到混合液；四、步驟三的混合液靜置22 26h後，在90 110°C條件下乾燥6 8h，得到幹凝膠；五、步驟四的幹凝膠置於馬弗爐(自動程序升溫的馬弗爐)中，馬弗爐 以1 3°C /min的速度升溫至600 800°C，保溫6 8h，即得到&摻雜納米晶Ti02。本實施方式的方法合理的控制了反應條件，將上轉換發光材料Er摻雜到TiO2, 解決了的金屬離子摻雜不均勻，不易摻雜到晶格中的問題，本實施方式得到的Er摻雜納 米晶TiO2的分子式為TihErxO2,式中X = 0.01 0.1，本實施方式得到的&摻雜納米晶 TiO2中離子摻雜含量高；本實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2電子-空穴複合被有效抑 制，載流子濃度增加，光譜響應範圍擴大，且本實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2對可 見光電流轉化率高，以本實施方式上轉換發光材料Er摻雜改性的納米晶TiO2為染料敏化 太陽能光陽極的光電流轉化率提高了 10% 60%，本實施方式通過控制步驟一的五水硝 酸鉺的量來控制稀土摻雜改性的摻雜量和上轉換強度，上轉換發光材料的光譜響應範圍 擴大到近紅外光區。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中磁力攪拌 轉度為105 115r/min。其他步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中磁力攪拌 轉度為lior/min。其他步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三不同的是步驟二中磁力 攪拌轉度為105 115r/min。其他步驟及參數與具體實施方式
一至三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至三不同的是步驟二中磁力攪拌轉度為llOr/min。其他步驟及參數與具體實施方式
一至三相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五不同的是步驟三中硝酸 鉺混合液以32 38滴/min的速度加入到步驟二的鈦酸四丁酯醇溶液中。其他步驟及參 數與具體實施方式
一至五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至五不同的是步驟三中硝酸 鉺混合液以35滴/min的速度加入到步驟二的鈦酸四丁酯醇溶液中。其他步驟及參數與具體實施方式
一至五相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七不同的是步驟四中靜置 24h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至七相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八不同的是步驟四中在 100°C條件下乾燥7h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至八相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至九不同的是步驟五中馬弗 爐以2°C/min的速度升溫至700°C，保溫7h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至九相 同。
具體實施方式
十一本實施方式本實施方式Er摻雜納米晶TiO2的製備方法按照 以下步驟進行一、在磁力攪拌轉度為llOr/min的條件下，將1.28g的五水硝酸鉺溶解 於40mL無水乙醇中，再加入IOmL去離子水和IOmL冰醋酸得到硝酸鉺混合液；二、在 磁力攪拌轉度為llOr/min的條件下，將20mL鈦酸四丁酯溶於40mL無水乙醇中即得到鈦 酸四丁酯醇溶液；三、在冰水浴中，磁力攪拌轉度為llOr/min的條件下，將步驟一的硝 酸鉺混合液以30 40滴/min的速度加入到步驟二的鈦酸四丁酯醇溶液中得到混合液； 四、步驟三的混合液靜置24h後，在100°C條件下乾燥7h，得到幹凝膠；五、步驟四的幹 凝膠置於馬弗爐中，馬弗爐以2°C/min的速度升溫至700°C，保溫7h，即得到&摻雜納 米晶TiO2。本實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2的XRD圖如圖1所示，從圖1可以看出本 實施方式得到的Er摻雜納米晶TiO2的特徵峰為標準特徵峰，本實施方式合成的Er摻雜納 米晶TiO2為銳鈦礦晶型；本實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2的SEM圖如圖2所示， 從圖2可以看出本實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2為圓球狀，顆粒尺寸為納米級；本 實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2的上轉化發光譜圖如圖3所示，從圖3可以看出本實 施方式得到的以Er摻雜納米晶TiO2在980nm雷射源的照射下吸收近紅外光，在可見光區 發光的上轉換發光譜圖；本實施方式得到的Er摻雜納米晶TiO2 WSPS圖如圖4所示，從 圖4可以看出本實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2表面光電壓譜圖中，又有新的峰值響 應，載流子複合被有效抑制；本實施方式得到的Er摻雜納米晶TiO2 WUV-VIS圖如圖5 所示，從圖5可以看出本實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2在可見光區出現吸收峰，光 譜響應範圍有效擴大，載流子濃度提高。本實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2的分子式為TihErxO2,式中X = 0.01 0.1，本實施方式得到的Er摻雜納米晶TiO2中離子摻雜含量高；本實施方式得到的Er摻 雜納米晶TiO2電子-空穴複合被有效抑制，載流子濃度增加，光譜響應範圍擴大，且本 實施方式得到的&摻雜納米晶TiO2對可見光電流轉化率高，以本實施方式上轉換發光材 料Er摻雜改性的納米晶TiO2為染料敏化太陽能光陽極的光電流轉化率提高了 20 40%，本實施方式通過控制步驟一的五水硝酸鉺的量來控制稀土摻雜改性的摻雜量和上轉換強 度，上轉換發光材料的光譜響應範圍擴大到近紅外光區。
權利要求
1.摻雜納米晶TiO2的製備方法，其特徵在於Er摻雜納米晶TiO2的製備方法按照以 下步驟進行一、在磁力攪拌轉度為100 120r/min的條件下，將0.198 1.98g的五水 硝酸鉺溶解於40mL無水乙醇中，再加入IOmL去離子水和IOmL冰醋酸得到硝酸鉺混合 液；二、在磁力攪拌轉度為100 120r/min的條件下，將20mL鈦酸四丁酯溶於40mL無 水乙醇中即得到鈦酸四丁酯醇溶液；三、在冰水浴中，磁力攪拌轉度為100 120r/min 的條件下，將步驟一的硝酸鉺混合液以30 40滴/min的速度加入到步驟二的鈦酸四丁 酯醇溶液中得到混合液；四、步驟三的混合液靜置22 26h後，在90 110°C條件下幹 燥6 8h，得到幹凝膠；五、步驟四的幹凝膠置於馬弗爐中，馬弗爐以1 3°C /min的 速度升溫至600 800°C，保溫6 8h，即得到&摻雜納米晶Ti02。
2.根據權利要求1所述的&摻雜納米晶TiO2的製備方法，其特徵在於步驟一中磁力 攪拌轉度為105 115r/min。
3.根據權利要求1或2所述的&摻雜納米晶TiO2的製備方法，其特徵在於步驟三中 硝酸鉺混合液以32 38滴/min的速度加入到步驟二的鈦酸四丁酯醇溶液中。
4.根據權利要求3所述的&摻雜納米晶TiO2的製備方法，其特徵在於步驟四中靜置24h。
5.根據權利要求4所述的&摻雜納米晶TiO2的製備方法，其特徵在於步驟四中在 100°C條件下乾燥7h。
6.根據權利要求5所述的&摻雜納米晶TiO2的製備方法，其特徵在於步驟五中馬弗 爐以2°C /min的速度升溫至700°C，保溫7h。
全文摘要
Er摻雜納米晶TiO2的製備方法，它涉及一種Er摻雜TiO2的製備方法。本發明解決了現有摻雜TiO2的方法存在的離子摻雜含量低、可見光活性差、載流子濃度低的問題。方法一、配製硝酸鉺混合液；二、配製鈦酸四丁酯醇溶液；三、配製混合液；四、製備幹凝膠；五、保溫處理即得到Er摻雜納米晶TiO2。本發明得到的Er摻雜納米晶TiO2中離子摻雜含量高；本發明得到的Er摻雜納米晶TiO2可見光活性好、載流子濃度高；本發明得到的Er摻雜納米晶TiO2用於薄膜染料敏化太陽能電池，光生電流明顯增大，通過調控在Er的量來擴大TiO2對太陽光的光譜響應範圍及相應強度。
文檔編號B01J23/10GK102008950SQ20101052857
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月29日 優先權日2010年10月29日
發明者周密, 楊玉林, 範瑞清 申請人:哈爾濱工業大學