一种空心材料CeO2@TiO2的制备方法及其应用技术

一种空心材料CeO2@TiO2的制备及其应用，涉及染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备技术领域。先以水热法制备出碳小球，再用水热法制备出空心材料CeO2@TiO2，再将P25浆料和空心材料CeO2@TiO2用丝网印刷分别涂覆在FTO玻璃上，高温煅烧，得到光阳极材料，最后再制备光阳极。制成的空心材料CeO2@TiO2纳米膜能够有效的吸收可见光，增强对太阳光的利用率，加快电子的传输，减小电荷的复合，而且空心结构增大了其比表面积，有利于增加对染料的吸附量，很大程度的改善了电池的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备、应用

技术介绍
进入新世纪，伴随着全球经济的持续快速发展，人类对能源的需求量与日俱增，能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质保障。以资源有限，污染严重的化石能源为主的能源结构，将逐步转变为以资源无限，清洁干净的可再生能源为主的多样化，复合型的能源结构，发展太阳能电池将是新能源开发中的重要组成部分，也是保障国家能源与环境安全，促进国家经济与社会可持续发展必然的战略选择。与其他太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池的优势十分明显，其工艺简单，实用化前景好，成本低等。染料敏化太阳能电池因以上特点其应用领域变得十分广泛，并呈现出巨大的社会效益。染料敏化太阳能电池由导电基底、光阳极、对电极、染料敏化剂、电解质等几部分构成，其中光阳极作为光敏化剂的载体和收集电子和传输电子的介质是染料敏化太阳能电池的最核心部分。对于纳米材料，中空的微/纳米结构因为其独特的结构赋予他们独特的性质：比表面积大，优越的光散射效应等。在所有之前的报道中空材料，二氧化钛空心球因为其高比表面积，对染料的吸附好，优越的光散射效应成为染料敏化太阳能电池一个很重要的光阳极材料。直到目前，已经通过很多方式来改善二氧化钛空心球作为染料敏化太阳能电池光阳极材料的性能。纳米CeO2@TiO2材料由于具有能带结构与染料敏化太阳能电池其他组成部分相匹配、电导率高、形貌特殊，使其成为一种重要的染料敏化太阳能电池光阳极材料。中空结构CeO2@TiO2材料的复合，其具有较高的比表面积，吸附染料的能力强，从而能吸收更多的可见光。而且此材料的复合能减少其结晶度，保持了二氧化钛在高温煅烧中的相对稳定性。但从目前来看，现有技术中还没有将中空结构CeO2@TiO2光阳极材料用于染料敏化太阳能电池的报道。
技术实现思路
本专利技术目的是为了提供一种生产工艺简单，设备成本低，能耗小，能有效提高太阳能电池光电转换效率的一种空心结构CeO2@TiO2染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备方法。本专利技术通过下述步骤制备得到：1）制备碳（Carbon缩写为C）小球：将葡萄糖溶于去离子水中，形成葡萄糖水溶液，再将葡萄糖水溶液置于高压反应釜中在180℃的温度环境下进行水热反应，反应结束后，冷却至室温，分离出固相后经离心洗涤后，在80℃温度下烘干，得到碳小球；2）将碳小球在去离子水中超声分散，得到碳小球分散液；3）在超声条件下，将浓度为0.5 M的硝酸铈水溶液加入碳小球分散液中，得到硝酸铈和碳小球的混合溶液；4）将硝酸铈和碳小球的混合溶液置于高压反应釜中在160℃的温度环境下进行水热反应；5）待水热反应结束后，冷却至室温，取固相物经离心洗涤后，在80℃温度下烘干，得到实心材料C@CeO2；6）将实心材料C@CeO2、羟丙基纤维素（HPC）和去离子水（DIW）分散于无水乙醇中，得到实心材料C@CeO2和羟丙基纤维素（HPC）的分散液；7） 将实心材料C@CeO2和羟丙基纤维素（HPC）的分散液在超声条件下搅拌均匀，得到实心材料C@CeO2分散液；8）将钛酸四丁酯（TBOT）与乙醇混合，形成钛酸四丁酯与乙醇的混合溶液；9）将钛酸四丁酯与乙醇的混合溶液滴加到实心材料C@CeO2分散液中，经搅拌，形成混合溶液；10）将混合溶液升温至80℃，回流100 min；11） 回流结束后，冷却至室温，分离取得固相物，再将固相物离心洗涤，在70℃温度下烘干，得到实心材料C@ CeO2@TiO2；12）将实心材料C@CeO2@TiO2置于煅烧炉中，以10℃/min的升温速率将温度升温至500℃后保持1h，得到空心结构材料CeO2@TiO2。本专利技术生产工艺简单，设备成本低，能耗小，原材料无毒，对劳动力技术要求低，工业化生产成本仅为硅太阳能电池的1/4～1/3，制备成的CeO2@TiO2复合材料结构新颖，呈空心球状，尺寸在250～350nm之间。采用二氧化钛和二氧化铈复合材料与二氧化钛复合制备的光阳极薄膜具有优越的光散射效应。进一步地，本专利技术所述步骤2）中：所述碳小球与去离子水的混合比为15mg∶1mL～3mL。该比例下能够使得碳球完全分散于溶剂中，分散性好，不易团聚，方便接下来的硝酸铈充分附着于表面。所述步骤3）中：硝酸铈水溶液与碳小球分散液混合体积比1∶1。该比例下为了能使硝酸铈完全附着于碳球表面，反应充分，形貌均一。所述步骤1）和步骤5）中：各离心转速为7000～9000 r/min，时间为5～10 min。此离心转速和时间下能够得到我们所需要粒径的颗粒，避免了颗粒粒径不均一的状况；去除一些不必要的杂质。所述步骤6）中：实心材料C@CeO2、羟丙基纤维素（HPC）和去离子水（DIW）的混合质量比为2∶1∶6；实心材料C@CeO2、羟丙基纤维素（HPC）和去离子水（DIW）的总量与无水乙醇的混合比为90mg∶4 mL～7mL。该配比下为了能够将实心材料C@CeO2完全分散于溶剂中，分散性好，溶液均匀，添加表面活性剂使其溶液体系的界面状态发生变化，有利于渗透，表面附着。所述步骤8）中：所述钛酸四丁酯（TBOT）与乙醇的混合体积比为1∶5。在此配比下，钛酸四丁酯包覆的实心球材料C@CeO2效果较好，实心材料表面均匀的附着二氧化钛，形貌、粒径均一，稳定性好，分散均匀性也较好。所述步骤9）中：所述钛酸四丁酯与乙醇的混合溶液与实心材料C@CeO2分散液的混合体积比为1∶9～11；所述滴加的速度为0.4～0.6 mL/min。该混合比是在理论情况下的比值，为了能够将二氧化钛完全包覆在C@CeO2的外面，附着在表面，反应完全，有利于性能的提高；此滴加速度下，将钛酸四丁酯与乙醇的混合溶液缓慢加入，能够让反应速度减慢，使得反应完全而且避免了颗粒出现团聚现象。另外，本专利技术还公开了制备的空心结构材料CeO2@TiO2在制备染料敏化太阳能电池光阳极材料中的应用。在FTO玻璃上，采用丝网印刷法，将空心材料CeO2@TiO2涂覆在P25薄膜表面，经高温煅烧，得到染料敏化太阳能电池光阳极材料。以上P25薄膜是颗粒粒径大约为25nm的二氧化钛浆料形成的薄膜。本专利技术采用丝网印刷涂覆，减少表面缺陷，且能够在较小的尺寸上获得较大的比表面积，而且加快电子传输，减小电荷复合，能有效地提高光阳极表面吸附染料分子，使得电池的光电转换效率明显提高，跟现有的P25光阳极电池效率相比增加了25.3%。进一步地，所述高温煅烧的温度环境为450℃，时间为30 min，煅烧时以10℃/min的升温速率将温度升温至450℃。该条件下煅烧能够使粒子之间形成良好的电接触。在FTO玻璃上先涂覆P25浆料，经烧结后，再在P25浆料层上涂覆空心材料CeO2@TiO2，再进行高温煅烧；所述P25浆料层共涂覆7～9层，每涂覆一层烧结一次；所述空心CeO2@TiO2共涂覆2～3层，每涂覆一层烧结一次。该操作方法涂覆的薄膜比较均匀，而且每层的厚度能够控制；循环这么多次，主要让其P25薄膜达到一定的厚度，使得效率达到最高再涂覆所做的空心材料；涂覆两层材料也是为了其材料达到一定的厚度，使得光阳极材料效率达到最高，从而光电转化效率最优。附图说明图1为本专利技术制成的空心结构复合材料CeO2@TiO2的场发射透射电镜图TEM。图2为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空心材料CeO2@TiO2的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将葡萄糖溶于去离子水中，形成葡萄糖水溶液，再将葡萄糖水溶液置于高压反应釜中在180℃的温度环境下进行水热反应，反应结束后，冷却至室温，分离出固相后经离心洗涤后，在80℃温度下烘干，得到碳小球；2）将碳小球在去离子水中超声分散，得到碳小球分散液；3）在超声条件下，将浓度为0.5M的硝酸铈水溶液加入碳小球分散液中，得到硝酸铈和碳小球的混合溶液；4）将硝酸铈和碳小球的混合溶液置于高压反应釜中在160℃的温度环境下进行水热反应；5）待水热反应结束后，冷却至室温，取固相物经离心洗涤后，在80℃温度下烘干，得到实心材料C@CeO2；6）将实心材料C@CeO2、羟丙基纤维素和去离子水分散于无水乙醇中，得到实心材料C@CeO2和羟丙基纤维素的分散液；7） 将实心材料C@CeO2和羟丙基纤维素的分散液在超声条件下搅拌均匀，得到实心材料C@CeO2分散液；8）将钛酸四丁酯与乙醇混合，形成钛酸四丁酯与乙醇的混合溶液；9）将钛酸四丁酯与乙醇的混合溶液滴加到实心材料C@CeO2分散液中，经搅拌，形成混合溶液；10）将混合溶液升温至80℃，回流100 min；11） 回流结束后，冷却至室温，分离取得固相物，再将固相物离心洗涤，在70℃温度下烘干，得到实心材料C@ CeO2@TiO2；12）将实心材料C@CeO2@TiO2置于煅烧炉中，以10℃/min的升温速率将温度升温至500℃后保持1h，得到空心结构材料CeO2@TiO2。...

【技术特征摘要】
1.一种空心材料CeO2@TiO2的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将葡萄糖溶于去离子水中，形成葡萄糖水溶液，再将葡萄糖水溶液置于高压反应釜中在180℃的温度环境下进行水热反应，反应结束后，冷却至室温，分离出固相后经离心洗涤后，在80℃温度下烘干，得到碳小球；2）将碳小球在去离子水中超声分散，得到碳小球分散液；3）在超声条件下，将浓度为0.5M的硝酸铈水溶液加入碳小球分散液中，得到硝酸铈和碳小球的混合溶液；4）将硝酸铈和碳小球的混合溶液置于高压反应釜中在160℃的温度环境下进行水热反应；5）待水热反应结束后，冷却至室温，取固相物经离心洗涤后，在80℃温度下烘干，得到实心材料C@CeO2；6）将实心材料C@CeO2、羟丙基纤维素和去离子水分散于无水乙醇中，得到实心材料C@CeO2和羟丙基纤维素的分散液；7） 将实心材料C@CeO2和羟丙基纤维素的分散液在超声条件下搅拌均匀，得到实心材料C@CeO2分散液；8）将钛酸四丁酯与乙醇混合，形成钛酸四丁酯与乙醇的混合溶液；9）将钛酸四丁酯与乙醇的混合溶液滴加到实心材料C@CeO2分散液中，经搅拌，形成混合溶液；10）将混合溶液升温至80℃，回流100 min；11） 回流结束后，冷却至室温，分离取得固相物，再将固相物离心洗涤，在70℃温度下烘干，得到实心材料C@ CeO2@TiO2；12）将实心材料C@CeO2@TiO2置于煅烧炉中，以10℃/min的升温速率将温度升温至500℃后保持1h，得到空心结构材料CeO2@TiO2。2.根据权利要求1所述空心材料CeO2@TiO2的制备方法，其特征在于所述步骤2）中：所述碳小球与去离子水的混合比为15mg∶1mL～3mL。3.根据权利要求1所述空心材料CeO2@TiO2的制备方法，其特征在于所述步骤3）中：硝酸铈水溶液与碳小球分散液混合体...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩贵，王敏，白静怡，李丹阳，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32