一种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜、制备方法及应用技术

本发明专利技术提供一种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜、制备方法及应用，属于纳米材料科学领域。该复合型薄膜是以透明导电氧化物薄膜作为电子抽取层，以柠檬酸为碳源，尿素为氮源，经微波法合成的氮掺杂碳纳米点作为光敏层，与具有纳米介孔结构的二氧化钛电子分离层复合制备形成复合型薄膜。本发明专利技术的复合薄膜能借助空气中的氧分子，可实现从碳纳米点到二氧化钛高效的光诱导的电荷分离，可被应用于空气净化及制备高性能的碳基太阳能电池，并且该复合薄膜在水中也表现出很好的光降解染料的特性，可用于水污染治理。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜、制备方法及应用，属于纳米材料科学领域。该复合型薄膜是以透明导电氧化物薄膜作为电子抽取层，以柠檬酸为碳源，尿素为氮源，经微波法合成的氮掺杂碳纳米点作为光敏层，与具有纳米介孔结构的二氧化钛电子分离层复合制备形成复合型薄膜。本专利技术的复合薄膜能借助空气中的氧分子，可实现从碳纳米点到二氧化钛高效的光诱导的电荷分离，可被应用于空气净化及制备高性能的碳基太阳能电池，并且该复合薄膜在水中也表现出很好的光降解染料的特性，可用于水污染治理。【专利说明】
本专利技术属于纳米材料科学领域，具体涉及一种在可见区实现高效光诱导电子转移 的复合型薄膜、制备方法及应用。 -种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜、制 备方法及应用
技术介绍
全球日益凸显的能源及环境问题，使得人们将目光迅速地集中到光伏及光催化领 域。由于半导体二氧化钛具有良好的化学稳定性、低成本、无污染等诸多优良的特性，使得 它作为最初的光敏材料在太阳能电池及光催化领域得到了广泛应用。但因为二氧化钛较宽 的带隙（3. 2eV)限制了其对太阳光的吸收，所以基于二氧化钛的太阳能电池的能量转换效 率极低、光催化性能不高。鉴于此，科研人员们极力的想要拓宽二氧化钛的吸收光谱。将具 有窄带隙的有机染料分子和传统的半导体量子点敏化到二氧化钛纳米晶表面，作为一种有 效的方法，大大的改善了二氧化钛对于可见光区域的光响应，很大程度上提高了光伏器件 的效率及二氧化钛的光催化性能。但是，有机染料分子较差的光化学稳定性以及传统半导 体量子点多含镉、铅等重金属的缺点，使得基于此类光敏材料的光电器件很难实现大范围 的实际应用。 碳材料，诸如富勒烯、石墨烯、碳纳米管以及碳纳米点被认为有望替代有机染料、 传统半导体量子点在生物成像与传感、光催化、电致发光二极管以及光伏器件等领域中的 应用。尤其作为一种新型的碳材料，碳纳米点因具有良好的水溶性、稳定性、低毒性、耐光 漂白以及很好的生物相容性，正引起人们极大的关注。电子转移是产生光电流（在太阳 能电池中）和改善光催化性能最主要的物理过程。并且从碳纳米点到二氧化钛的光诱导 的电子转移被证明是可行的，而且基于碳纳米点与二氧化钛的复合物也已在光伏和光催 化领域得到应用。但是，在可见光区还没有实现从碳纳米点到二氧化钛有效的电子转移。 目前，以碳纳米点为敏化剂的太阳能电池的能量转换效率仅为0.13% (Solution phase synthesis of carbon quantum dots as sensitizers for nanocrystalline Ti02solar cells, Peter Mirtchev,Eric J. Henderson, Navid Soheilnia，Christopher M. Yip and Geoffrey A. Ozin，J. Mater. Chem.，2012, 22, 1265)。主要是因为其所使用的碳纳米点在可 见区没有本征吸收。其在可见区的拖尾吸收为缺陷吸收，而缺陷态属于不稳定的能量耗散 体，不利于实现有效的光诱导的电子转移。另外，目前已报道的碳纳米点表面多包覆绝缘的 有机长链分子，阻碍光生电子从碳纳米点向二氧化钛纳米粒子的转移。 想要得到基于碳纳米点的高效的光伏器件以及优异的光催化性能，首先要实现在 可见光区从碳纳米点到二氧化钛纳米粒子高效而又快速的电子转移。但目前还没有在可见 光区能实现从碳纳米点到二氧化钛高效电子转移的复合物薄膜。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的复合物薄膜不能实现在可见区从碳纳米点到二 氧化钛有效的电子转移的问题，而提供一种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄 膜、制备方法及应用。 本专利技术首先提供一种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜，该复合型 薄膜包括基底、设置在基底上的电子抽取层、设置在电子抽取层上的介孔电子分离层和设 置在介孔电子分离层上的光敏层；所述的电子抽取层为透明导电氧化物薄膜，介孔电子分 离层为纳米介孔结构的二氧化钛层，光敏层材料为氮掺杂碳纳米点。 优选的是，所述的透明导电氧化物薄膜为透明的FT0导电薄膜或透明的ΙΤ0导电 薄膜。 优选的是，所述的氮掺杂碳纳米点的制备方法，包括： 步骤一：将柠檬酸和尿素混合溶解在去离子水中，得到透明溶液； 步骤二：将步骤一得到的混合溶液微波加热反应，获得粘稠状液体； 步骤三：将步骤二得到的粘稠状液体烘干、溶解、离心，得到氮掺杂碳纳米点。 优选的是，所述的柠檬酸和尿素的质量比为1 :2。 本专利技术还提供一种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜的制备方法， 包括： 步骤一：在基底上设置电子抽取层； 步骤二：将二氧化钛浆料旋涂在电子抽取层上，得到二氧化钛薄膜，将二氧化钛薄 膜焙烧，得到纳米介孔结构的二氧化钛薄膜； 步骤三：将步骤二得到的纳米介孔结构的二氧化钛薄膜浸泡在氮掺杂碳纳米点水 溶液中，得到在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜。 优选的是，所述的步骤二的旋涂速度为2000?3000转每分钟，旋涂时间30?70 秒。 优选的是，所述的步骤二的焙烧温度为500?600摄氏度，焙烧时间为45?70分 钟。 优选的是，所述的氮掺杂碳纳米点水溶液中氮掺杂碳纳米点的浓度为5?10毫克 每晕升。 本专利技术还提供上述在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜在光催化领 域上的应用。 本专利技术还提供上述在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜在光伏领域 上的应用。 本专利技术的有益效果 本专利技术首先提供一种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜，该复合型 薄膜是以透明导电氧化物薄膜作为电子抽取层，以柠檬酸为碳源，尿素为氮源，经微波法合 成的氮掺杂碳纳米点作为光敏层，与具有纳米介孔结构的二氧化钛电子分离层复合制备形 成复合型薄膜。与现有技术相对比，本专利技术的光敏层材料由于采用在可见光区具有本征吸 收的氮掺杂的碳纳米点，所采用的氮掺杂碳纳米点表面无绝缘的长烷基链包覆，其碳内核 能够直接的连接到二氧化钛纳米粒子表面，很好的与二氧化钛纳米粒子复合，在可见光激 发形成电子空穴对之后，实现光生电子与空穴在空间上的分离，能有效的实现电子从碳纳 米点到二氧化钛的转移。 本专利技术还提供一种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜的制备方法， 该方法先在基底上设置电子抽取层；然后将二氧化钛浆料旋涂在电子抽取层上，得到二氧 化钛薄膜，将二氧化钛薄膜焙烧，得到纳米介孔结构的二氧化钛薄膜；最后将步纳米介孔结 构的二氧化钛薄膜浸泡在氮掺杂碳纳米点水溶液中，得到在可见区实现高效光诱导电子转 移的复合型薄膜。该制备方法简单、易于实现，得到的复合型薄膜有效快速的实现电子从碳 纳米点到二氧化钛的转移。 本专利技术还提供上述复合型薄膜在在光催化领域和光伏领域上的应用，由于所制备 得到的复合型薄膜在可见光区可实现高效光诱导电子转移，能借助空气中的氧分子实现有 效的电荷转移，可被应用于空气净化以及制备高性能的碳基太阳能电池，并且该复合物薄 膜在水中也表现出良好的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在可见区实现高效光诱导电子转移的复合型薄膜，其特征在于，该复合型薄膜包括基底、设置在基底上的电子抽取层、设置在电子抽取层上的介孔电子分离层和设置在介孔电子分离层上的光敏层；所述的电子抽取层为透明导电氧化物薄膜，介孔电子分离层为纳米介孔结构的二氧化钛层，光敏层材料为氮掺杂碳纳米点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曲松楠，孙明烨，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22