具有(001)优先取向平面的TiO?纳米颗粒的合成，用于提高染料敏化太阳能电池（DSSC）的光伏性能

《South African Journal of Chemical Engineering》：Synthesis of TiO 2 nanoparticles with (001) preferential plane for photovoltaic performance in DSSC.

本研究通过无外加形貌控制剂的水热法，系统调控合成温度（120-210°C），制备出不同形貌（球形至八面体）和比表面积（103-245 m2/g）的TiO?纳米颗粒。结果表明，温度升高导致晶体尺寸增大（0.83-2.03 nm），比表面积和孔隙率降低，其中180°C合成的八面体TiO?纳米颗粒（晶面(101)和(001)暴露）具有最佳光电性能，制备的DSSC效率达5.87%，电流密度11.92 mA/cm2，开路电压0.781 V。表征显示XRD证实以 Anatase 为主（92%-98%），HRTEM和 BET 分析揭示了形貌与孔隙调控机制。结论表明，晶面暴露与高比表面积协同作用可优化光吸收和载流子传输。

　　### 研究背景与意义

随着全球对可再生能源的需求日益增长，太阳能技术作为清洁能源的重要组成部分，正逐渐成为解决能源短缺和环境问题的关键手段。太阳能电池因其在能量转换效率和可持续性方面的优势，吸引了众多研究者的关注。其中，染料敏化太阳能电池（DSSCs）因其独特的结构设计和优异的光电性能，成为当前研究的热点之一。DSSCs通常由二氧化钛（TiO?）纳米颗粒构成的光阳极、染料敏化层、铂涂层的对电极以及电解质组成，能够实现高效的光能转化为电能。然而，为了进一步提升DSSCs的性能，研究者们不断探索如何优化TiO?纳米颗粒的合成条件，包括其尺寸、形态、晶体结构以及表面特性等。

TiO?作为一种广泛应用于光催化和太阳能电池的氧化物材料，具有多种晶型，包括锐钛矿、板钛矿和金红石。其中，锐钛矿因其优异的光电性能和良好的稳定性，常被用作DSSCs的光阳极材料。近年来，研究人员发现，通过调控合成温度，可以有效改变TiO?纳米颗粒的尺寸和孔隙率，从而进一步优化其在DSSCs中的应用性能。同时，孔隙结构对光阳极的电荷传输效率和染料吸附能力具有重要影响，因此如何在不使用传统控制剂的情况下，通过改变合成温度来实现TiO?纳米颗粒的定向生长，成为当前研究的重要方向之一。

### 研究方法与实验设计

本研究采用了一种称为“胶体化-水热法”的合成方法，无需添加定向控制剂，即可获得具有球形和准八面体形态的TiO?纳米颗粒，并通过调控合成温度来改变其表面面积和孔隙率。该方法具有环保、节能以及成本低等优点，能够满足大规模生产的需求。实验中，TiO?纳米颗粒的合成过程分为几个关键步骤：首先，将钛异丙氧化物（TTIP）与乙酸（AcOH）按照一定比例混合，随后加入硝酸（HNO?）和去离子水（H?O），在室温下搅拌一段时间，形成前驱体溶液。接着，将溶液加热至特定温度（120°C、150°C、180°C和210°C），并在Teflon?反应釜中进行水热反应，持续12小时。反应结束后，通过旋转蒸发仪去除溶剂，再在80°C下干燥，最终获得所需的TiO?纳米颗粒。

为了进一步研究这些纳米颗粒在DSSCs中的应用潜力，研究团队将TiO?纳米颗粒与乙基纤维素（EC）混合，制备成具有特定孔隙结构的TiO?/EC浆料。浆料的制备过程包括将纳米颗粒分散在硝酸溶液中，随后进行离心处理，去除未结合的物质。接着，将纳米颗粒与乙醇或1-己醇混合，形成稳定的浆料体系。最后，通过旋转蒸发去除溶剂，获得具有适当粘度的TiO?/EC复合材料。这些材料随后被用于制备DSSCs的光阳极，并通过一系列表征手段，如X射线衍射（XRD）、比表面积分析（BET）、透射电子显微镜（TEM）、漫反射光谱（DRS）和热重分析（TGA）等，对其物理和化学特性进行了系统研究。

### 实验结果与分析

通过XRD分析，研究团队发现所有合成的TiO?样品均主要呈现出锐钛矿相，仅有少量的板钛矿相存在。随着合成温度的升高，样品的晶粒尺寸逐渐增大，同时其表面面积和孔隙率显著降低。其中，当合成温度达到210°C时，表面面积减少了42%。这表明，较高的合成温度会促进晶粒的生长，从而降低其比表面积。此外，研究还发现，随着温度的升高，孔隙率从32.8 ?增加到120.2 ?，表明晶粒的增大可能导致孔隙结构的改变。这些结果与TEM图像一致，显示在较低温度下（120°C）形成的纳米颗粒具有球形结构，而在较高温度下（180°C和210°C）则呈现出准八面体形态。

进一步的DRS分析表明，TiO?纳米颗粒的光吸收边位于紫外-可见光交界处，约380 nm。这一特性是由于TiO?材料中电子从价带向导带跃迁所引起的。随着合成温度的升高，纳米颗粒的晶粒尺寸增大，导致其带隙能量略有变化，从而影响光吸收性能。然而，实验结果表明，当合成温度为180°C时，获得的TiO?纳米颗粒具有最佳的光吸收和电荷传输性能，其能量转换效率达到了5.87%，远高于其他温度条件下的样品。

在光阳极的制备过程中，研究团队采用了丝网印刷技术，将TiO?/EC浆料均匀涂覆在氟掺杂氧化锡（FTO）玻璃基底上。随后，通过热处理（375°C、400°C和450°C）去除溶剂和粘合剂，形成具有特定孔隙结构的光阳极。为了提高光阳极的性能，研究团队还进行了钛盐处理和染料敏化步骤，其中使用了N719染料进行敏化，以增强其光吸收能力。通过这些步骤，最终构建了完整的DSSC装置，并对其光电性能进行了评估。

### 光电性能与应用潜力

在光电性能测试中，研究团队使用了Oriel模型LCS-100太阳能模拟器，对DSSC的电流密度-电压（J-V）曲线进行了测量。结果显示，TiO?纳米颗粒的尺寸、形态和孔隙率对DSSC的光电性能具有显著影响。其中，TiO?样品在180°C下合成的DSSC表现出最佳的性能，其开路电压（Voc）为0.781 V，短路电流密度（Jsc）为11.92 mA/cm2，填充因子（FF）为63.0%，能量转换效率（η）为5.87%。这些参数的优化主要归因于TiO?纳米颗粒的高比表面积（144.96 m2/g）和适当的孔隙结构（71.8 ?），这些特性能够有效促进染料的吸附和电解质的扩散，从而提高光阳极的电荷传输效率。

此外，研究团队还发现，当使用不同溶剂（乙醇和1-己醇）制备TiO?/EC浆料时，其光电性能略有差异。例如，使用乙醇作为溶剂的样品在能量转换效率方面略优于使用1-己醇的样品，这可能与溶剂的沸点和对纳米颗粒分散性的影响有关。高沸点的溶剂有助于提高浆料的均匀性，减少孔隙结构的不规则性，从而改善DSSC的整体性能。

### 结论与展望

本研究通过调控合成温度，成功制备了具有不同尺寸和孔隙率的TiO?纳米颗粒，并验证了这些材料在DSSCs中的应用潜力。结果表明，TiO?纳米颗粒的尺寸、形态、晶体结构以及孔隙率是影响DSSC性能的关键因素。其中，TiO?纳米颗粒在180°C下合成的样品表现出最佳的光电性能，其高比表面积和适当的孔隙结构显著提升了染料吸附能力和电解质扩散效率，从而实现了较高的能量转换效率。

该研究为DSSCs的光阳极材料优化提供了新的思路，特别是在不使用传统控制剂的情况下，通过水热法合成具有特定形貌和结构的TiO?纳米颗粒。未来的研究可以进一步探索不同合成条件对TiO?纳米颗粒性能的影响，以及如何通过材料改性进一步提高其在DSSCs中的应用效率。此外，研究团队还建议，进一步研究TiO?纳米颗粒的表面修饰方法，以增强其光催化性能和电荷传输能力，从而推动其在太阳能电池及其他光催化应用中的发展。