[发明专利]纳米二氧化钛包覆碳纳米管增强纳米碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料领域，它涉及一种纳米二氧化钛包覆碳纳米管增强纳米碳纤维及其制备方法，尤其是一种可用作染料敏化太阳能电池光敏催化剂的纳米二氧化钛包覆碳纳米管增强纳米碳纤维及其制备方法。

背景技术

解决能源危机已成为全世界所面临的最大挑战之一，太阳能是一种最有希望的未来能源。染料敏化太阳能电池其生产工艺简单，成本不及硅系太阳能电池的一半，且应用弹性大。在应用发展方面，染料敏化太阳能电池具有重量轻、厚度薄、可弯曲、易携带等特点。此外，染料敏化太阳能电池弱光性好，在早晚光线弱的情况下，发电效果优于晶硅电池。因此，未来薄膜太阳能电池的发展前景不可限量，是极具发展潜力的一种新型太阳能能源系统。

但是，目前染料敏化太阳能电池的最高能量转化效率与其理论转化效率25％之间还有很大的差距。染料敏化太阳能电池的低效率主要是受到其光电转换极——微纳米半导体颗粒集合体的影响。这些颗粒之间存在的界面成倍延长了光电子的传输途径、甚至形成光电子陷阱使电子无法传出，从而极大地降低了电池的光电转换效率。随着纳米技术的发展，人们开始采用半导体纳米线作为光电转换电极半导体纳米线作为光电转换电极缩短了电子传输途径，并且有效提高了染料和电解质的吸收，增加了光电转换效率。但是，这些纳米线却存在无法找到合适的生长基质或难以与导电基质结合的困难。

静电纺纳米纤维作为一种连续的、柔软高比表面积的纤维体引起了人们的关注。Tekmen等人通过静电纺丝方法将聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和异丙醇钛的混合溶液制备直成径为54-78nm的纳米二氧化钛的纳米纤维【C.Tekmen，A.Suslu，U.Cocen，Titania nanofibers prepared by electrospinning(2008)】。Bin Ding等人通过溶胶-凝胶处理和静电纺丝将异丙醇钛与聚醋酸乙烯酯的粘稠溶液制备成纳米纤维，再通过高温煅烧获得直径为200-300nm的纳米二氧化钛的纳米纤维【Bin Ding，Chul Ki Kim，Hak Yong Kim，Min Kang Seo，and Soo Jin Park，Titanium Dioxide Nanofibers Prepared by Using Electrospinning Method(2004)】。Mi Yeon Song等利用TiO2凝胶和聚醋酸烯酯的凝固过程中的相分离形成的海岛形态制备了平均直径为20nm的二氧化钛纤维。因此其多孔结构有利于提高光电转化效率【Mi Yeon Song，Do Kyun Kim，Kyo Jin Ihn，Seong Mu Jo and Dong Young Kim Electrospun TiO2electrodes for dye-sensitized solar cells(2004)】。但是，这些二氧化钛纤维仍具有脆性太大、难以加工利用的问题。

发明内容

本发明的目的是提供它涉及一种纳米二氧化钛包覆碳纳米管增强纳米碳纤维及其制备方法，尤其是一种可用作染料敏化太阳能电池光敏催化剂的纳米二氧化钛包覆碳纳米管增强纳米碳纤维及其制备方法。该纳米二氧化钛包覆的碳纳米管增强纳米碳纤维集合体具有高比表面积、高孔隙率等特征可以高效吸附染料，以纤维表面包覆的二氧化钛实现光电转换功能，以一维连续性碳纳米管增强纳米碳纤维为基体实现光电子的高效传输，且具有比二氧化钛纳米线和纳米纤维更柔软、导电性更高的特点，从而实现提高太阳能染料敏化电池的光电转化率的目标。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

本发明的一种纳米二氧化钛包覆碳纳米管增强纳米碳纤维，其特征是它是表层均匀包覆有直径为1～100nm的锐钛矿型二氧化钛颗粒、内部含有直径为0.9～100nm单壁或多壁碳纳米管且直径为30～700nm的纳米碳纤维，其特征在于这种纳米二氧化钛包覆碳纳米管增强纳米碳纤维的质量百分比组分为：

(a)纳米二氧化钛：0.05～25％

(b)碳纳米管：0.05～30％

(c)碳纤维：45～99.9％

所述的一种纳米二氧化钛包覆碳纳米管增强纳米碳纤维，其制备方法步骤如下：

(1)将占溶液质量百分比含量为0.5～20％碳纤维前驱体聚合物溶解于其溶剂中，制备碳纤维前驱体聚合物纺丝液；