一种二维纳米二硫化钛及其薄膜电极的制备方法

摘要

一种二维纳米二硫化钛及其薄膜电极的制备方法，属于电化学技术领域，其中二维纳米二硫化钛的制备，包括如下步骤：将硫源、溶剂和四氯化钛加入高压釜中，在180‑300℃反应0.5~12小时；硫源与四氯化钛的摩尔比为1:（0.09~2），溶剂的量为高压釜容积的40%~70%，硫源为硫脲或二甲基硫脲，溶剂为甲苯或二甲苯。本发明通过涂布法得到二维纳米二硫化钛薄膜电极、二维纳米二硫化钛柔性胶带基电极、原位生长法制备二维纳米二硫化钛薄膜电极，上述电极稳定性好、使用寿命长，光电性能佳，可代替铂金电极的二维纳米二硫化钛材料及其特种薄膜电极。

权利要求

1. 一种原位生长法制备二维纳米二硫化钛薄膜电极的方法，其特征在于，步骤如下：将固态基底浸入饱和的硫脲或二甲基硫脲水溶液中，用提拉法在基底表面沉积一层厚度为

10-50微米硫脲，干燥后置入高压釜中，高压釜中含有溶剂50-70ml、四氯化钛0.5-2 ml，然后在温度为180-300℃的恒温烘箱中反应0.5 12小时；反应完成后，冷却、洗涤，得到原位生~长法制备的二维纳米TiS2薄膜电极，其中，所述溶剂为甲苯或二甲苯。

2.利用权利要求1所述方法制得的二维纳米二硫化钛薄膜电极。

说明书

一种二维纳米二硫化钛及其薄膜电极的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于电化学领域，具体涉及一种二维纳米二硫化钛及其薄膜电极的制备方法。

背景技术

[0002] 染料敏化太阳能电池是九十代开发出的一种新型化学太阳能电池，具有较低的成本，简便的制备工艺以及良好的环境相容性，具有很好的应用前景。但是目前所用的对电极主要是以铂作为表面催化层的电极。由于铂金的稀有和昂贵，导致该种电极有较高的制造成本。所以，研制可替代铂电极的新型廉价高效对电极成为一个重要的研究方向。

[0003] 廉价的层状二硫化钛材料不仅具有优良的电催化活性，具有替代传统的贵金属铂的潜力。如何合成出具有大的比表面积、高电导率及高催化活性的超薄单晶二维纳米二硫化钛及其薄膜电极，是一个亟需解决的重要技术问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种二维纳米二硫化钛及其薄膜电极的制备方法，本发明通过涂布法得到二维纳米二硫化钛薄膜电极、二维纳米二硫化钛柔性胶带基电极、原位生长法制备二维纳米二硫化钛薄膜电极，上述电极稳定性好、使用寿命长，光电性能佳，本发明提供了一种可代替铂金电极的二维纳米二硫化钛材料及其薄膜电极。

[0005] 基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

[0006] 二维纳米TiS2的溶剂热合成方法为：将硫源（硫脲或二甲基硫脲）置入100 mL的聚四氟乙烯高压釜中，加入溶剂（甲苯或二甲苯），接着注入适量的四氯化钛，然后放入烘箱中，在温度为180-300℃的条件下反应0.5 12小时。反应完成后，冷却、洗涤、离心，得到二维~纳米TiS2，硫源与四氯化钛的摩尔为1:（0.09 2），溶剂的量为高压釜容积的40% 70%，所述~ ~
硫源为硫脲或二甲基硫脲，所述溶剂为甲苯或二甲苯。

[0007] 具体地，将硫脲4g、甲苯50mL、四氯化钛1mL加入100mL高压釜中，200℃恒温反应6h。

[0008] 上述方法得到的二维纳米TiS2。

[0009] 由二维纳米TiS2制备二维纳米TiS2薄膜电极的方法为：将二维纳米TiS2材料分散在甲醇或乙醇中形成浓度为20g/L-50 g/L的二维纳米TiS2浆料，将该浆料涂布在平整的固态基底（材料具体可选ITO导电玻璃、塑料、石墨或者钛金属片）表面，干燥后形成一层均匀的（厚度为10-50微米）纳米TiS2薄膜；即得到包含基底的二维纳米TiS2薄膜电极。二维纳米TiS2薄膜的厚度可以通过控制所用的二维纳米TiS2浆料的浓度来实现。

[0010] 二维纳米TiS2柔性胶带基电极的制备方法为：将二维纳米TiS2材料分散在甲醇或乙醇中形成浓度为20g/L-50 g/L的二维纳米TiS2浆料，将该浆料涂布在ITO玻璃表面，干燥后形成一层）均匀的（厚度为10-50微米）纳米TiS2薄膜；用柔性透明胶带中带胶层的一面贴在干燥的纳米TiS2薄膜表面，揭下胶带后纳米TiS2薄膜会转移到胶带的表面，即在胶带表面粘附一层一定厚度的二维纳米TiS2薄膜，得到弯曲的柔性纳米TiS2电极。柔性透明胶带包括市场上常见的各种材质的透明胶带（具体如BOPP、PE、PVC胶带）

[0011] 原位生长法制备的二维纳米TiS2薄膜电极的制备方法为：将基底（包括ITO玻璃基底、柔性塑料基底）浸入饱和的硫脲（或二甲基硫脲）水溶液中，用提拉法在基底表面沉积一层硫脲（厚度约10-50微米），在干燥箱中干燥后置入100 ml的聚四氟乙烯高压釜中，釜中含有溶剂（甲苯或二甲苯）50-70ml、含有四氯化钛（0.5-2 ml），密封后放入烘箱中，在温度为180-300℃的条件反应一段时间（0.5小时到12小时）。反应完成后，冷却、洗涤，得到原位生长法制备的二维纳米TiS2薄膜电极。这种方法所所制备的二维超薄纳米TiS2。能够更紧密的连接在一起，形成导电性好、比表面积大、电催化活性高的纳米TiS2多孔薄膜电极。如果基底采用柔性塑料（如柔性聚四氟乙烯基底或PET薄膜基底），那么最终得到的电极是柔性纳米TiS2多孔薄膜电极。

[0012] 通过上述方法，可获得稳定性好、使用寿命长，光电性能佳，可代替铂金电极的二维纳米二硫化钛材料及其特种薄膜电极。

附图说明

[0013] 图1 为依照实施例1所描述的方法制备的二维超薄纳米TiS2电极表面的扫描电镜图。

[0014] 图2 为依照实施例1所描述的方法制备的二维超薄纳米TiS2电极（玻璃基底）组装的染料敏化太阳能电池的电压-电流特征曲线。图3为实施例2制得的柔性二维纳米TiS2薄膜电极的照片。该照片显示这种透明胶带基柔性电极是易于弯曲的。

[0015] 图4为实施例3原位生长法制备的二维纳米TiS2薄膜的扫描电镜图（其中图a、b、c分别为放大5000倍、10000倍、100000倍的扫描电镜图）。

具体实施方式

[0016] 以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

[0017] 实施例1：

[0018] 二维纳米TiS2的制备：

[0019] 称取硫脲4 g、甲苯50 mL、四氯化钛1 mL，置入容积为100mL的聚四氟乙烯高压釜中，密封；将密封好聚四氟乙烯高压釜放置在200℃的烘箱中保持恒温6小时；接着将烘箱关闭加热电源，打开烘箱门，使高压釜的温度自然降至常温，用甲醇将所获得的釜中的黑色沉淀反复离心洗涤三次，得到的黑色沉淀为二维纳米二硫化钛，并将所得到的黑色沉淀物用甲醇分散，即可获得黑色的超薄二维纳米二硫化钛（如图1所示，纳米二硫化钛薄片的直径约1-2微米）（平均厚度小于20纳米，平均直径小于2微米）的甲醇浆料。

[0020] 二维纳米TiS2薄膜电极的制备方法为：将所获得黑色的超薄二维纳米二硫化钛的甲醇浆料（浓度为10g/L）通过旋转涂膜机涂布在ITO导电玻璃基底上即可获得兼具导电和催化性能的高效多孔二维纳米二硫化钛薄膜电极（如图1所示，纳米二硫化钛薄片的直径约1-2微米，薄片平均厚度小于20纳米）。

[0021] 通过上述方法，可以在玻璃基底上获得厚度约20微米，电极的表面方块电阻（用四探针法测得）约为15欧姆的二维纳米二硫化钛薄膜电极材料。

[0022] 将上述制得的二维纳米TiS2薄膜电极组装成染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能电池以所制备的二维超薄纳米TiS2电极为对电极，以染料敏化纳米二氧化钛为光阳极，两电极之间填充电解质（所用电解质的组成为：以乙氰做溶剂，溶质的浓度为0.05 M的 I2， 0.1 M 的LiI， 0.6 M 的1,2-二甲基l-3-二丙基咪唑碘 (DMPII)， 0.5 M 的4-特丁基吡啶）；电池在100mW标准模拟太阳光下用电化学工作站测试其电压-电流特性曲线，电压-电流扫描的扫速为100mV/s，具体如图2所示。由图2可知，TiS2薄膜电极具有优良的电催化活性和光电转化效率，其开路电压为0.76伏，短路电流为17.4毫安/平方厘米，填充因子为0.64，光电效率转化达到8.5%。

[0023] 实施例2：

[0024] 二维纳米TiS2柔性胶带基电极的制备：

[0025] 将根据实施例1制备的超薄二维纳米二硫化钛的甲醇浆料（浓度为10g/L）涂布在玻璃表面，干燥后形成一层厚度均匀的纳米TiS2薄膜（厚度约20微米，方块电阻约15欧姆的二维纳米二硫化钛导电薄膜材料）；用柔性透明胶带中带胶层的一面贴在干燥的纳米TiS2薄膜表面，揭下胶带后纳米TiS2薄膜会转移到胶带的表面，即在胶带表面粘附一层厚度约30微米的二维纳米TiS2薄膜，即为可弯曲的柔性纳米TiS2电极。

[0026] 通过上述方法，可以在柔性胶带基底上获得厚度约30微米，表面方块电阻约15欧姆的可以弯曲的柔性纳米TiS2电极。柔性二维纳米TiS2薄膜电极的照片如图3所示。这照片显示这种电极是易于弯曲的。

[0027] 实施例3

[0028] 原位生长法制备的二维纳米TiS2薄膜电极的制备方法为：将洁净的FTO导电玻璃基底浸入饱和的硫脲水溶液中，用提拉法在基底表面沉积一层硫脲（厚度约20微米），在干燥箱中干燥后置入100 ml的聚四氟乙烯高压釜中，釜中含有甲苯溶剂500ml、含有四氯化钛2ml），密封后放入烘箱中，在温度为200℃的条件反应8时间。反应完成后，冷却、洗涤，得到原位生长法制备的二维纳米TiS2薄膜电极（如图4所示，每一片薄片的直径约1微米，所得到的的二维纳米TiS2薄片紧密的连在一起，每一薄片的厚度约20-30纳米，）。该方法所制得的电极中TiS2厚度为20微米，表面方块电阻约为8欧姆。