專利名稱：采用高粘度溶劑制備納米晶TiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于太陽(yáng)能電池納米晶TiO2多孔薄膜的制備方法，尤其關(guān)于采用高粘度溶劑制備納米晶TiO2多孔薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
納米晶TiO2多孔薄膜由于具有大的比表面積和優(yōu)異的光電化學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于光催化、電致變色、化學(xué)敏感器件和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。
在氧化物薄膜的制備方面，溶膠-凝膠法由于工藝簡(jiǎn)便，設(shè)備要求低，適于大面積制備，特別是化學(xué)劑量比容易控制而備受人們青睞。另一方面，由于溶劑相的揮發(fā)和有機(jī)物的去除會(huì)在材料中留下豐富的孔洞，因此溶膠-凝膠法也被認(rèn)為是制備多孔材料的一種有效方法。近年來(lái)，先后有溶膠-凝膠工藝制備納米晶TiO2多孔薄膜的研究報(bào)道。但是，這些薄膜由于厚度太小而達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求。為得到厚度為1μm的薄膜，沉積工藝需要重復(fù)20次以上，從而大大降低了制備效率。日本的Kajihara等人通過在溶膠中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)來(lái)提高溶膠粘度，達(dá)到增大薄膜厚度的目的，從含聚乙二醇(PEG)的溶膠中制備了納米晶TiO2多孔薄膜(美國(guó)《材料研究》，16(1)(2001)，58-66.)。實(shí)驗(yàn)中將溶劑乙醇平均分為兩份，將水和60wt％的硝酸溶解在其中一份乙醇中后迅速將其加入另一份溶解鈦酸異丙酯(TIP)并冰凍的乙醇溶液，強(qiáng)力攪拌10min后加入PEG(2000)和PVP(346,000)。所得溶膠放置在40℃的實(shí)驗(yàn)箱中攪拌1h，實(shí)驗(yàn)箱中的濕度維持在30％RH。采用浸漬-提拉技術(shù)將溶膠沉積在玻璃基底上，然后直接將凝膠膜放入500℃電爐熱處理10min，得到銳鈦礦納米晶TiO2多孔薄膜。結(jié)果表明，PVP的加入大大提高了薄膜厚度及薄膜制備速率，重復(fù)沉積5次即可以得到1μm厚的TiO2多孔薄膜。但是薄膜多孔結(jié)構(gòu)的規(guī)則度及排列有序度較低，導(dǎo)致薄膜比表面積較小。
目前溶膠-凝膠法制備納米晶TiO2多孔薄膜存在的主要缺點(diǎn)是(1)單次成膜厚度較小，為提高膜厚需多次重復(fù)沉積工藝，從而降低了制備效率；(2)通過在溶膠中加入高粘度有機(jī)物雖然可增大薄膜厚度，但同時(shí)也在一定程度上抑制了多孔結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)規(guī)則度和有序度降低，薄膜比表面積下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，以無(wú)水乙醇和高粘度試劑松油醇為混合溶劑或以高粘度試劑癸醇為溶劑，鈦酸丁酯(Ti(OC4H9)4)為前驅(qū)體，加入聚乙二醇(PEG)作模板劑，通過控制溶膠-凝膠工藝參數(shù)制備的納米晶TiO2多孔薄膜，在增加薄膜厚度和提高設(shè)備效率的同時(shí)，提高孔結(jié)構(gòu)的規(guī)則度及有序度，進(jìn)而提高薄膜的比表面積。
本發(fā)明納米晶TiO2多孔薄膜的制備方法，具體步驟如下(A)配制溶膠在強(qiáng)力攪拌條件下，將化學(xué)純的Ti(OC4H9)4(鈦酸丁酯)加入松油醇和無(wú)水乙醇的混合溶劑或癸醇溶劑中，為抑制鈦酸丁酯的強(qiáng)烈水解，再加入絡(luò)合劑NH(C2H5OH)2(二乙醇胺)，然后將水和乙醇的混合溶液緩慢滴加到上述溶液中，攪拌1-2h，再分別加入0.5～2.0克聚乙二醇(PEG)，繼續(xù)攪拌2h，得到黃色透明溶膠；以所述Ti(OC4H9)4為8.51克、NH(C2H5OH)2為2.63克、水和乙醇的混合溶液4.95mL且體積比為1∶10為基礎(chǔ)，所述松油醇和無(wú)水乙醇的混合溶劑或癸醇溶劑為38.43mL，溶膠中整體松油醇和無(wú)水乙醇的體積比為1∶8～8∶1；(B)溶膠預(yù)處理將溶膠放置于40～70℃的水浴中預(yù)處理0.5～2h；(C)浸漬-提拉鍍膜將基底置于溶膠中，提拉速度為5～6cm/min，濕膜在100℃下干燥10min，再進(jìn)行下一次鍍膜；(D)將干燥過的凝膠膜放入高溫電爐中，以2℃/min的升溫速率加熱至550℃，保溫1h，自然冷卻至室溫，制得納米晶TiO2多孔薄膜。
所述的鍍膜次數(shù)為1～5次。
所述的基底是玻璃、硅片、導(dǎo)電玻璃。
制得的納米晶TiO2多孔薄膜厚度為0.66～13μm。
本發(fā)明的有益效果是，以無(wú)水乙醇和高粘度試劑松油醇為混合溶劑或以高粘度試劑癸醇為溶劑，鈦酸丁酯(Ti(OC4H9)4)為前驅(qū)體，加入聚乙二醇(PEG)作模板劑，通過控制溶膠-凝膠工藝參數(shù)制備的納米晶TiO2多孔薄膜，在增加了薄膜厚度和提高了設(shè)備效率的同時(shí)，也提高了孔結(jié)構(gòu)的規(guī)則度及有序度，進(jìn)而提高了薄膜的比表面積。通過在溶膠中引入高粘度溶劑松油醇或癸醇可以有效增大薄膜厚度，提高薄膜制備速率，單次成膜膜厚達(dá)到0.66～4.2μm，重復(fù)五次沉積工藝可以得到3.0～13.0μm厚的薄膜。薄膜孔徑分別為100～650nm，比表面積由現(xiàn)有技術(shù)的50～60m2/g分別提高到59.2～76.9m2/g。


圖1是本發(fā)明納米晶TiO2多孔薄膜的孔結(jié)構(gòu)圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)多孔薄膜的孔結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
以松油醇+乙醇作溶劑的實(shí)施例

以癸醇作溶劑的實(shí)施例

提拉速度5.5cm/min煅燒升溫速率2℃/min煅燒溫度550℃所得TiO2多孔薄膜的性能經(jīng)高溫焙燒后，薄膜表面產(chǎn)生網(wǎng)狀的規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)，孔排列有序度較高，具有較大比表面積；單次鍍膜所得薄膜厚度明顯提高。薄膜中TiO2呈銳鈦礦晶型，晶粒粒徑為10～30nm。
以松油醇+乙醇作溶劑所得TiO2多孔薄膜的性能如下

以癸醇作溶劑所得TiO2多孔薄膜的性能如下

本發(fā)明納米晶TiO2多孔薄膜的孔結(jié)構(gòu)的規(guī)則度及有序度的提高可由圖1和圖2中明顯看出。
本發(fā)明公開和揭示的所有原料組合及方法可通過借鑒本文公開內(nèi)容，盡管本發(fā)明的組合及方法已通過較佳實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的方法和原料等進(jìn)行改動(dòng)，或增減某些步驟等，更具體地說，所有相類似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說是顯而易見的，這些都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1.一種采用高粘度溶劑制備納米晶TiO2多孔薄膜的制備方法，具體步驟如下(A)配制溶膠在強(qiáng)力攪拌條件下，將Ti(OC4H9)4加入松油醇和無(wú)水乙醇的混合溶劑或癸醇溶劑中，再加入絡(luò)合劑NH(C2H5OH)2，然后將水和乙醇的混合溶液滴加到上述溶液中，攪拌1-2h，再分別加入0.5～2.0克聚乙二醇PEG，繼續(xù)攪拌2h，得到黃色透明溶膠；以所述Ti(OC4H9)4為8.51克、NH(C2H5OH)2為2.63克、水和乙醇的混合溶液4.95mL且體積比為1∶10為基礎(chǔ)，所述松油醇和無(wú)水乙醇的混合溶劑或癸醇溶劑為38.43mL，溶膠中整體松油醇和無(wú)水乙醇的體積比為1∶8～8∶1；(B)溶膠預(yù)處理將溶膠放置于40～70℃的水浴中預(yù)處理0.5～2h；(C)浸漬-提拉鍍膜將基底置于溶膠中，提拉速度為5～6cm/min，濕膜在100℃下干燥10min，再進(jìn)行下一次鍍膜；(D)將干燥過的凝膠膜放入高溫電爐中，以2℃/min的升溫速率加熱至550℃，保溫1h，自然冷卻至室溫，制得納米晶TiO2多孔薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用高粘度溶劑制備納米晶TiO2多孔薄膜的制備方法，其特征在于，所述的鍍膜次數(shù)為1～5次。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用高粘度溶劑制備納米晶TiO2多孔薄膜的制備方法，其特征在于，所述的基底是玻璃、硅片、導(dǎo)電玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用高粘度溶劑制備納米晶TiO2多孔薄膜的制備方法，其特征在于，制得的納米晶TiO2多孔薄膜厚度為0.66～13μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用高粘度溶劑制備納米晶TiO
文檔編號(hào)C04B35/624GK1648285SQ200410072929
公開日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者靳正國(guó), 步紹靜, 劉曉新 申請(qǐng)人:天津大學(xué)