纳米材料的制备与应用文献报告

《纳米材料的制备与应用》文献报告

由于第一年到学校学习，尚未进入课题组，老师也未提起过我未来从事的领域，自己本身不是材料专业出身，现在接触这方面内容亦较少，所以选择文献领域的时候就参考了同所学材料的同学，所里研究的主要是二氧化钛纳米晶体，我就在网上找了相关内容学习，主要学习了两个方面的内容，一是二氧化钛纳米晶体本身的制备过程的实验及优化，另一方面是它在太阳能电池上的相关应用，我的报告也从这两个方面展开。

一、二氧化钛纳米晶体

《A facile solution-phase synthesis of high quality water-soluble anatase TiO2 nanocrystals》《TiO2 nanocrystal films for sensing applications based on surface plasmon resonance》在过去的几十年里，二氧化钛纳米晶体由于在具有高表面积的同时还存在电子和光电子特性以及量子尺寸效应，在太阳能转化、光电催化、传感器和光致变色器件等多方面都有应用，存在巨大的价值。目前所知二氧化钛主要以三种结晶态存在：锐钛矿、板钛矿和金红石，在这三种类型中，锐钛矿具有最佳的光敏性和光电性。

而在二氧化钛合成过程中，如何得到高结晶度仍是一个主要问题。许多二氧化钛常规的合成办法是基于酸性环境下的溶胶-凝胶过程，由钛的醇盐的水解和冷凝作用完成，但由于醇盐对空气湿度的高度敏感，以致在室温条件下，水解作用很难控制，大多数情况下，得到的是不定形二氧化钛。

1.合成二氧化钛纳米晶体

《TEM study of TiO2 nanocrystals with different particle size and shape》

《Template synthesis of structuredtitania using inverse opal gels》

56mL的钛醇盐和100mL去离子水混合搅拌，形成白色沉淀，再用去离子水冲洗，滤饼和2.28gTMAH以及10mL去离子水一起经过高压消毒锅，在120°C下加热18h，在190°C 下加热4.5h。最终反应物中的水在真空中转移并稀释至大约20mL。取不同体积的上述溶液，分别加入25wt%、0.16M的TMAH。利用配置后的溶液制成样品进行TEM和高分辨率TEM 检测。

结果表明，在碳薄片上沉降的二氧化钛纳米晶体的大小和形状决定于颗粒物浓度、PH 值和有机添加剂的类型。一般而言，高pH值利于生成立方体纳米晶体，低pH利于生成正方晶体。过度稀释颗粒物浓度会生成球形纳米晶体。在TMAH的辅助作用下，二氧化钛纳米晶体能够在水蒸发的过程中，在碳薄片上进行自组装。

2.制备过程有机添加剂的影响

《Controlled structure of anatase TiO2 nanoparticles by using organic additives in a microwave process》

在上一篇文章的基础上，找到了另一篇关于在制备二氧化钛纳米颗粒的过程中使用有机添加剂的文章。

在合成二氧化钛的过程中，也要控制微波的时间和经济效率。

在合成十面体锐钛矿结构时，使用PVA、PAAc、PVP、PEG和PAANa进行对比试验，通过TEM和XRD对最终的合成产物进行分析，PAAc是最理想的聚合物添加剂。

而在酸性（PH4）或者中性（pH7）媒介中，锐钛矿和金红石分别是67:33和97:3，只有在pH10时，XRD峰才与锐钛矿相符合。且pH10也是在没有添加剂合成纯净的锐钛矿相时的最优选择环境。

大表面积和小的晶体尺寸，同时还具备高度结晶性，这三个条件保证了二氧化钛在提高光催化效率中的重要作用。但是，将反应模板脱离，却也是一个仍待解决的问题，因此，在此基础上，研究了另一篇文献的相关内容。

3.高度结晶的方法

《Highly Crystalline Inverse Opal Transition Metal Oxides via a Combined Assembly of Soft and Hard Chemistries》

《Fabrication and characterization of cerium-doped titania inverse opal by sol–gel method》由胶体晶体为模板合成三维有序大孔（3DOM）过渡金属氧化物在催化、光电催化、感应器等方面存在巨大的应用。为了能达到高度结晶，我们需要将不定形的反应物加热处理，使其达到足够的温度，完全转化成晶体的状态。3DOM过渡金属氧化物（这里指二氧化钛）一般是通过单分散胶质制得，一般是通过硅或者聚合物（例如聚苯烯），在使用硅球制取胶体晶体模板（CCT）时可以达到高温，但是随后该模板的移除就会是一个很大的问题。当高聚物球体制取CCT时，一般只在400°C煅烧，不会再高温下反应，但随着后续工作中为了将不定形物质转化成晶体而升温，大孔骨架就会被打破，这就是使用聚合物与使用硅球相比一个很大的缺点。同时，使用硅球，大孔的连接性可控，去除模板更为容易，而且能得到大小和形状多样的聚合物胶体。在这样的情况下，就研究了使用CASH，使聚合物CCT更容易达到。

使用具有sp2杂化轨道的碳原子的聚合物，当它在惰性环境中高温加热时，转化成稳定的不定形碳物质，该物质参与形成不定形的金属氧化物。碳对金属氧化结构来说，是一个支撑体，能保证金属氧化结构在其结构不受影响的情况下加热，随后可以通过在空气中以450°C中温加热而脱除碳，留下稳定和高度结晶的金属氧化物。

对二氧化钛而言，使用[(NH4)2TiF6]作为金属前体，金属前体的水溶液在250°C和pH3的硼酸反应，硅薄片和聚苯乙烯交替在该水溶液中快速组装，金属氧化物渗透到聚苯乙烯球体的空隙。最后在450°C的空气中加热，移除碳。

二、二氧化钛纳米晶体应用于太阳能电池

1.纳米晶体染料敏化太阳能电池（DSSC）

《Nanostructured Hybrid Solar Cells Based on Self-Assembled Mesoporous Titania Thin Films》《Spectral Response of Opal-Based Dye-Sensitized Solar Cells》

纳米晶体染料敏化太阳能电池（DSSC）和昂贵的硅元素太阳能电池相比，具有更广阔的应用前景和高效性能。它主要由以下几个部分组成：

●一个工作电极，一般是一个5到10μm厚的对可见吸收的染料敏感的二氧化钛纳米

晶体。

●一个填充间质空间的液体碘化物电解质。

●一个含白金的反电极。

DSSC已经达到了11%的利用效率，而且由于方便制造、造价低廉还有其透明度，因此具有技术优势和附加价值。

一般来说，提高DSSC的效率主要注重电池中的成分来提高光电电压（改变支持的氧化物），光电流（使用不同的染料），或者是稳定性（改变电极或者密封层）。

但是，还有一种补充办法，也可以增加利用率。即是通过增加通过光路的光，从而增加光子被吸收的可能性。通过这样的手段，依赖于光电流的光收率或者电池吸收率就可以增加，那么电量也可以增加。在这样的大方向上，一层经过修饰的在工作电极里面或者在其顶部的二氧化钛大（近似于1微米）颗粒就是最优的选择了。这些成分能有效地散射光，增加电极内的光程，从而增加电池的能力。但是，这些散射层由于不透明，当DSSC需要用于类似窗