二氧化钛分子团簇分散体系及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种二氧化钛分子团簇分散体系及其制备方法，其中的二氧化钛分子团簇分散体系包括粒径为1nm～5nm且具有准晶体有序结构的二氧化钛和酸性水溶液；其中，二氧化钛的浓度为0.00001g/mL～0.01g/mL，酸性水溶液的H+浓度为5.4×10‑6mol/mL～0.0002mol/mL。本发明专利技术，能够解决制备二氧化钛分子团簇技术上困难的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光催化材料和太阳能电池材料
，更为具体地，涉及光催化氧化/还原材料和染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池的光电极材料及其制备方法。
技术介绍
二氧化钛原材料来源丰富、无毒环保，是近二三十年来在光催化和光伏领域被研究得最多的材料之一。二氧化钛的先进性和巨大的发展潜力存在于在三方面：1)光催化特性；2)光诱导电荷分离特性；3)纳米特性。光催化和光诱导电荷分离特性的应用载体以粒径20～30nm锐钛矿型二氧化钛纳米晶为主，这也是目前二氧化钛纳米特性开发利用的一个限度。在前两方面的特性都被广泛深入地开发研究的现状下，唯有在第三方面，即纳米特性上还存在一个未开发实际应用的领域——二氧化钛的分子团簇状态。在量子力学和量子化学领域，已对二氧化钛分子团簇的进行了理论研究，主要集中在探索染料敏化太阳能电池中染料分子与纳米晶二氧化钛相互作用的研究阶段，计算模拟出了二氧化钛分子团簇的原子/分子结构和电子结构相关信息。P.Persson等报道了(TiO2)38团簇的尺寸约1.5nm，M.Pastore等则展示了(TiO2)38团簇主要暴露晶面为(101)晶面系的平板状分子结构。R.Sánchez-de-Armas等计算了(TiO2)38和(TiO2)9两种分子团簇的基态能带结构，并认为(TiO2)9已经足够大到具备了合适的能带结构去实现染料-TiO2体系的分子吸附和电子转移。事实上，尺寸在1～2nm之间的(TiO2)38分子团簇一直以来都被作为染料-TiO2体系的理想模型。M.Gra¨tzel及其研究者以(TiO2)38分子团簇为染料分子-TiO2相互作用的代表，探索减小电子损失的的途径。M.J.Lundqvist等用密度泛函理论系统计算了尺寸1～2nm的TiO2分子团簇的能带结构和分子结构模型，认为该尺度范围的(TiO2)n分子团簇主要为n＝16,28,38,46,60,68；而尺寸大于1.2nm的(TiO2)16分子团簇就已经形成了准晶体的电子结构——完全填满的价带和完全空的导带，价带和导带之间被不含任何杂质能级的带隙分隔开。可见，作为晶体的雏形，TiO2分子团簇已具备了晶体的能带结构特征，即已具有了其特殊的光电化学性质，且在电子结构上呈现零缺陷状态，对光伏系统来说，是一种理想的电子接收、转移和传输物质；对于光催化体系来说，应具有极高的催化效率。只是由于粒度过小，在其合成和制备成大面积固体材料方面存在技术上的困难，因此没有被实际应用。因此，本专利技术提供一种合成二氧化钛分子团簇分散体系的方法。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种二氧化钛分子团簇分散体系及其制备方法，以解决制备二氧化钛分子团簇技术上困难的问题。本专利技术提供一种二氧化钛分子团簇分散体系，包括粒径为1nm～5nm且具有准晶体有序结构的二氧化钛和酸性水溶液；其中，二氧化钛的浓度为0.00001g/mL～0.01g/mL，酸性水溶液的H+浓度为5.4×10-6mol/mL～0.0002mol/mL。此外，优选的方案是，所述二氧化钛的浓度为0.00001g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为1.6×10-5mol/mL。此外，优选的方案是，所述二氧化钛的浓度为0.01g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为5.4×10-5mol/mL。此外，优选的方案是，所述二氧化钛的浓度为0.0024g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为5.4×10-6mol/mL。此外，优选的方案是，所述二氧化钛的浓度为0.0024g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为0.0002mol/mL。此外，优选的方案是，所述二氧化钛的浓度为0.008g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为5.4×10-6mol/mL。本专利技术还提供一种二氧化钛分子团簇分散体系的制备方法，包括：按钛源：溶剂：水：酸的质量比为1：0.1～10：30～10000：0.015～185的比例，首先分别将钛源和溶剂混合成均匀的钛源溶液，水和酸混合成酸溶液；然后将钛源溶液滴加到酸溶液中进行水解反应，生成白色沉淀的水解产物，其中，在水解反应过程中控制酸溶液的温度保持在0℃～100℃；水解产物在30℃～100℃下回流1小时～100小时，生成透明溶胶；透明溶胶在30℃～100℃下回流1小时～1000小时，进行二氧化钛分子团簇生长，生成二氧化钛分子团簇分散体系，其中，二氧化钛的粒径为1nm～5nm。此外，优选的方案是，钛源为钛的醇盐或钛的无机盐；其中，钛的醇盐为正钛酸四丁酯、乙醇钛、异丙醇钛、正丁醇钛之一；钛的无机盐为四氯化钛、四溴化钛、四碘化钛、正硫酸钛之一。此外，优选的方案是，极性有机溶剂为乙醇、丙醇、四氢呋喃、丙酮之一。此外，优选的方案是，酸为无机酸或有机酸；其中，无机酸为硝酸、盐酸、硫酸、氢氟酸之一；有机酸为羧酸、磺酸、亚磺酸、硫羧酸之一。从上面的技术方案可知，本专利技术提供的二氧化钛分子团簇分散体系及其制备方法，能够获得以下有益效果：1)本专利技术可实现二氧化钛分子团簇的大批量生产，大大提高其实际应用的可能性；2)二氧化钛分子团簇粒径为1nm～5nm，只含(101)晶面系；Ti原子的价态为Ti4+；其紫外-可见吸收光谱在260nm～356nm范围具有强吸收带；通过紫外-可见光区透射光谱，计算其光学带隙为3.57eV；由于二氧化钛分子团簇粒度极小，比表面积和表面能大大提高，且无缺陷态，其本征的紫外吸收能力大大增强；3)制备二氧化钛分子团簇的原材料廉价，来源丰富且无毒环保；制备方法简单易控，合成过程在空气中常压下进行，反应温度小于100℃，低能耗，有利于生产成本进一步降低；4)产品以水溶胶的形式存在，可长时间保持二氧化钛分子团簇的分散性和稳定性，并具有更好的兼容性；5)二氧化钛分子团簇分散体系，可应用于水污染物的光催化分解；涂布与固体基材表面制备抗菌防污涂层；可进一步制备成薄膜，作为光电化学太阳能电池、钙钛矿太阳能电池的高效光电极；用作某些化学反应的光催化还原剂/氧化剂。为了实现上述以及相关目的，本专利技术的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本专利技术的原理的各种方式中的一些方式。此外，本专利技术旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。附图说明通过参考以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化钛分子团簇分散体系，包括粒径为1nm～5nm且具有准晶体有序结构的二氧化钛和酸性水溶液；其中，所述二氧化钛的浓度为0.00001g/mL～0.01g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为5.4×10‑6mol/mL～0.0002mol/mL。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛分子团簇分散体系，包括粒径为1nm～5nm且具有准晶
体有序结构的二氧化钛和酸性水溶液；其中，所述二氧化钛的浓度为
0.00001g/mL～0.01g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为5.4×
10-6mol/mL～0.0002mol/mL。
2.如权利要求1所述的二氧化钛分子团簇分散体系，其中，
所述二氧化钛的浓度为0.00001g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为1.6×
10-5mol/mL。
3.如权利要求1所述的二氧化钛分子团簇分散体系，其中，
所述二氧化钛的浓度为0.01g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为5.4×
10-5mol/mL。
4.如权利要求1所述的二氧化钛分子团簇分散体系，其中，
所述二氧化钛的浓度为0.0024g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为
5.4×10-6mol/mL。
5.如权利要求1所述的二氧化钛分子团簇分散体系，其中，
所述二氧化钛的浓度为0.0024g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为
0.0002mol/mL。
6.如权利要求1所述的二氧化钛分子团簇分散体系，其中，
所述二氧化钛的浓度为0.008g/mL，所述酸性水溶液的H+浓度为
5.4×10-6mol/mL。
7.一种二氧化钛分子团簇分散体系的制备方法，包括：
按钛源：...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐笑，刘晓燕，张玲，邢安，邢雅莉，林景诚，楚婉怡，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆;85