專利名稱:Er摻雜納米晶TiO<sub>2</sub>的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種&摻雜TiO2的制備方法。
背景技術(shù):
染料敏化太陽(yáng)能電池近年來(lái)受到世界范圍內(nèi)的持續(xù)的關(guān)注,逐漸成為研究的熱 點(diǎn),用于染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極材料主要有TiO2, ZnO, SnO2等,TiO2由于低廉 的價(jià)格,快速的電子-空穴分離成為染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極材料,TiO2是一種寬禁 帶半導(dǎo)體,對(duì)光的吸收范圍窄,只有能量大于或等于禁帶寬度的紫外線才能激發(fā)TiO2產(chǎn) 生光催化和光化學(xué)反應(yīng),而紫外線僅占太陽(yáng)自然光輻射的3% 5%左右,同時(shí)電子-空 穴容易復(fù)合,載流子產(chǎn)率低,直接影響光催化和光化學(xué)效果,因此,各種辦法用來(lái)擴(kuò)大 沉02對(duì)太陽(yáng)光的光譜響應(yīng)范圍并抑制電子_空穴的復(fù)合,研究表明,稀土離子的摻雜能有 效改善TiO2的本征半導(dǎo)體性質(zhì),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(shí)對(duì)太陽(yáng)光的光譜響應(yīng)范圍變大,可以有效的拓展TiO2的光譜響應(yīng)范圍,提高其對(duì) 可見(jiàn)光的利用率。目前摻雜TiO2主要有以下幾種方法高溫?zé)崽幚矸?,磁控濺射法,脈 沖激光沉積法,機(jī)械化學(xué)法和濕化學(xué)法,但是這些方法還普遍存在著離子摻雜含量低、 可見(jiàn)光活性差、載流子濃度低的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有摻雜TiO2的方法存在的離子摻雜含量低、可見(jiàn)光 活性差、載流子濃度低的問(wèn)題,而提供了Er摻雜納米晶TiO2的制備方法。本發(fā)明&摻雜納米晶TiO2W制備方法按照以下步驟進(jìn)行一、在磁力攪拌轉(zhuǎn)度 為100 120r/min的條件下,將0.198 1.98g的五水硝酸鉺溶解于40mL無(wú)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(zhuǎn)度為100 120r/min的條件下,將20mL鈦酸四丁酯溶于40mL無(wú)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(zhuǎn)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后,在90 110°C條件下干燥6 8h,得到干凝膠;五、 步驟四的干凝膠置于馬弗爐中,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(fā)明的方法合理的控制了反應(yīng)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(wèn)題,本發(fā)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(fā)明得到的&摻雜納米晶TiO2中離子摻雜含量 高;本發(fā)明得到的&摻雜納米晶TiO2電子-空穴復(fù)合被有效抑制,載流子濃度增加, 光譜響應(yīng)范圍擴(kuò)大,且本發(fā)明得到的Er摻雜納米晶TiO2對(duì)可見(jiàn)光電流轉(zhuǎn)化率高,以本 發(fā)明上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料&摻雜納米晶TiO2為染料敏化太陽(yáng)能光陽(yáng)極的光電流轉(zhuǎn)化率提高了 10% 60%;本發(fā)明得到的&摻雜納米晶TiO2用于薄膜染料敏化太陽(yáng)能電池,光生電流明顯增大,通過(guò)調(diào)控在Er的量來(lái)擴(kuò)大TiO2對(duì)太陽(yáng)光的光譜響應(yīng)范圍及相應(yīng)強(qiáng)度;本發(fā)明 得到的&摻雜納米晶TiO2可見(jiàn)光活性好、載流子濃度高。
圖1是具體實(shí)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(shí)施方式
十一得到的&摻雜納米晶TiO2的SEM圖; 圖3是具體實(shí)施方式
十一得到的&摻雜納米晶TiO2的上轉(zhuǎn)化發(fā)光譜圖; 圖4是具體實(shí)施方式
十一得到的&摻雜納米晶TiO2的SPS圖; 圖5是具體實(shí)施方式
十一得到的&摻雜納米晶TiO2的UV-VIS圖譜。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
,還包括各具體實(shí)施方式
間 的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式Er摻雜納米晶TiO2的制備方法按照以下步驟進(jìn) 行一、在磁力攪拌轉(zhuǎn)度為100 120r/min的條件下,將0.198 1.98g的五水硝酸鉺溶 解于40mL無(wú)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(zhuǎn)度為100 120r/min的條件下,將20mL鈦酸四丁酯溶于40mL無(wú)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(zhuǎn)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后,在90 110°C條件下干燥6 8h,得到干凝膠;五、步驟四的干凝膠置于馬弗爐(自動(dòng)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(shí)施方式的方法合理的控制了反應(yīng)條件,將上轉(zhuǎn)換發(fā)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(wèn)題,本實(shí)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(shí)施方式得到的&摻雜納米晶 TiO2中離子摻雜含量高;本實(shí)施方式得到的&摻雜納米晶TiO2電子-空穴復(fù)合被有效抑 制,載流子濃度增加,光譜響應(yīng)范圍擴(kuò)大,且本實(shí)施方式得到的&摻雜納米晶TiO2對(duì)可 見(jiàn)光電流轉(zhuǎn)化率高,以本實(shí)施方式上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料Er摻雜改性的納米晶TiO2為染料敏化 太陽(yáng)能光陽(yáng)極的光電流轉(zhuǎn)化率提高了 10% 60%,本實(shí)施方式通過(guò)控制步驟一的五水硝 酸鉺的量來(lái)控制稀土摻雜改性的摻雜量和上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度,上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的光譜響應(yīng)范圍 擴(kuò)大到近紅外光區(qū)。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中磁力攪拌 轉(zhuǎn)度為105 115r/min。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中磁力攪拌 轉(zhuǎn)度為lior/min。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三不同的是步驟二中磁力 攪拌轉(zhuǎn)度為105 115r/min。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三不同的是步驟二中磁力攪拌轉(zhuǎn)度為llOr/min。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)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(shù)與具體實(shí)施方式
一至五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)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(shù)與具體實(shí)施方式
一至五相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七不同的是步驟四中靜置 24h。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至八不同的是步驟四中在 100°C條件下干燥7h。其他步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至八相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)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(shù)與具體實(shí)施方式
一至九相 同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式本實(shí)施方式Er摻雜納米晶TiO2的制備方法按照 以下步驟進(jìn)行一、在磁力攪拌轉(zhuǎn)度為llOr/min的條件下,將1.28g的五水硝酸鉺溶解 于40mL無(wú)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(zhuǎn)度為llOr/min的條件下,將20mL鈦酸四丁酯溶于40mL無(wú)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(zhuǎn)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后,在100°C條件下干燥7h,得到干凝膠;五、步驟四的干 凝膠置于馬弗爐中,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(shí)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(shí)施方式得到的Er摻雜納米晶TiO2的特征峰為標(biāo)準(zhǔn)特征峰,本實(shí)施方式合成的Er摻雜納 米晶TiO2為銳鈦礦晶型;本實(shí)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(shí)施方式得到的&摻雜納米晶TiO2為圓球狀,顆粒尺寸為納米級(jí);本 實(shí)施方式得到的&摻雜納米晶TiO2的上轉(zhuǎn)化發(fā)光譜圖如圖3所示,從圖3可以看出本實(shí) 施方式得到的以Er摻雜納米晶TiO2在980nm激光源的照射下吸收近紅外光,在可見(jiàn)光區(qū) 發(fā)光的上轉(zhuǎn)換發(fā)光譜圖;本實(shí)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(shí)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(yīng),載流子復(fù)合被有效抑制;本實(shí)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(shí)施方式得到的&摻雜納米晶TiO2在可見(jiàn)光區(qū)出現(xiàn)吸收峰,光 譜響應(yīng)范圍有效擴(kuò)大,載流子濃度提高。本實(shí)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(shí)施方式得到的Er摻雜納米晶TiO2中離子摻雜含量高;本實(shí)施方式得到的Er摻 雜納米晶TiO2電子-空穴復(fù)合被有效抑制,載流子濃度增加,光譜響應(yīng)范圍擴(kuò)大,且本 實(shí)施方式得到的&摻雜納米晶TiO2對(duì)可見(jiàn)光電流轉(zhuǎn)化率高,以本實(shí)施方式上轉(zhuǎn)換發(fā)光材 料Er摻雜改性的納米晶TiO2為染料敏化太陽(yáng)能光陽(yáng)極的光電流轉(zhuǎn)化率提高了 20 40%,本實(shí)施方式通過(guò)控制步驟一的五水硝酸鉺的量來(lái)控制稀土摻雜改性的摻雜量和上轉(zhuǎn)換強(qiáng) 度,上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的光譜響應(yīng)范圍擴(kuò)大到近紅外光區(qū)。
權(quán)利要求
1.摻雜納米晶TiO2的制備方法,其特征在于Er摻雜納米晶TiO2的制備方法按照以 下步驟進(jìn)行一、在磁力攪拌轉(zhuǎn)度為100 120r/min的條件下,將0.198 1.98g的五水 硝酸鉺溶解于40mL無(wú)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(zhuǎn)度為100 120r/min的條件下,將20mL鈦酸四丁酯溶于40mL無(wú) 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(zhuǎn)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后,在90 110°C條件下干 燥6 8h,得到干凝膠;五、步驟四的干凝膠置于馬弗爐中,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(jù)權(quán)利要求1所述的&摻雜納米晶TiO2的制備方法,其特征在于步驟一中磁力 攪拌轉(zhuǎn)度為105 115r/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的&摻雜納米晶TiO2的制備方法,其特征在于步驟三中 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(jù)權(quán)利要求3所述的&摻雜納米晶TiO2的制備方法,其特征在于步驟四中靜置24h。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的&摻雜納米晶TiO2的制備方法,其特征在于步驟四中在 100°C條件下干燥7h。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的&摻雜納米晶TiO2的制備方法,其特征在于步驟五中馬弗 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的制備方法,它涉及一種Er摻雜TiO2的制備方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有摻雜TiO2的方法存在的離子摻雜含量低、可見(jiàn)光活性差、載流子濃度低的問(wèn)題。方法一、配制硝酸鉺混合液;二、配制鈦酸四丁酯醇溶液;三、配制混合液;四、制備干凝膠;五、保溫處理即得到Er摻雜納米晶TiO2。本發(fā)明得到的Er摻雜納米晶TiO2中離子摻雜含量高;本發(fā)明得到的Er摻雜納米晶TiO2可見(jiàn)光活性好、載流子濃度高;本發(fā)明得到的Er摻雜納米晶TiO2用于薄膜染料敏化太陽(yáng)能電池,光生電流明顯增大,通過(guò)調(diào)控在Er的量來(lái)擴(kuò)大TiO2對(duì)太陽(yáng)光的光譜響應(yīng)范圍及相應(yīng)強(qiáng)度。
文檔編號(hào)B01J23/10GK102008950SQ20101052857
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者周密, 楊玉林, 范瑞清 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)