[发明专利]金属氧化物浆料、孔径可控的金属氧化物薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及金属氧化物浆料、孔径可控的金属氧化物薄膜及其制备方法和应用，所述金属氧化物浆料包括：金属氧化物纳米颗粒、粘结剂、非离子表面活性剂以及非醇类高沸点溶剂。

技术领域

本发明涉及介孔材料的制备领域，特别涉及一种金属氧化物浆料、一种孔径可控的金属氧化物薄膜及其制备方法。

背景技术

介孔材料广泛应用于吸附、分离、催化、生物、探测、能量转换及储存等诸多领域，一直以来备受人们关注。设计和制备孔径可控的金属氧化物薄膜对于其在光伏器件、光催化剂及锂离子电池等领域中的应用具有重要意义。例如在染料敏化太阳能电池和介观型钙钛矿太阳能电池中，调控光阳极薄膜的孔径有助于促进吸光材料的有效渗透，并最终提高电池性能。

中国专利(公开号CN101777430A)公开了一种介孔二氧化钛薄膜的制备方法，向浆料中加入乙基纤维素和松油醇，煅烧去除后即在薄膜中留下介孔孔洞。然而该技术方案获得的孔径受二氧化钛粒径的限制。Abdi-Jalebi M等人通过改变纳米二氧化钛的粒径来调控所得薄膜的孔径(Journal of Physical Chemistry letters，2016,7,3264)，该技术方案仍然无法实现粒径尺寸相同而孔径尺寸不同的薄膜。添加高分子是另一种有效的增大孔径的方法。然而，在溶胶-凝胶法、水解法或水热法中应用高分子作为模板剂，所获得的TiO₂介孔层孔径大多局限于10nm左右，此外模板剂法所制得的TiO₂结晶度低，不利于界面上电子的快速转移。Jong Hak Kim等报道了用PVC-g-POEM接枝共聚物作为模板剂，用溶胶-凝胶法制备了孔径在28～73nm范围内可调的TiO₂介孔层(Chemical Communications,2010,46,1935)。然而，模板剂法所制得的介孔薄膜通常热稳定性不高，450℃以上的温度煅烧容易造成薄膜孔道的坍塌，因此TiO₂纳米晶的结晶度通常不高，且表面杂质去除不干净，介孔薄膜的缺陷较多。

发明内容

本发明旨在解决目前采用公开报道的金属氧化物薄膜孔径调控方法易出现调控范围窄、膜厚不可控、薄膜热稳定性差、有机杂质去除不干净等影响薄膜性能的问题，提出了一种新的含有非离子表面活性剂和非醇类高沸点溶剂的浆料、以及基于非离子表面活性剂和非醇类高沸点溶剂协同作用的孔径调控方法。

在本发明的第一方面，提供一种金属氧化物浆料，其包括：金属氧化物纳米颗粒、粘结剂、非离子表面活性剂以及非醇类高沸点溶剂。

根据本发明，金属氧化物浆料中含有非离子表面活性剂以及非醇类高沸点溶剂，将该金属氧化物浆料用于制备薄膜时，非离子表面活性剂在非醇类高沸点溶剂中相互缔结形成胶束，来作为造孔剂及孔径调节剂。煅烧去除后由于其位阻效应即在薄膜中留下介孔孔洞。因此通过调控非离子表面活性剂及非醇类高沸点溶剂的组分及组成，便可实现薄膜孔径的调控。本发明中采用的非醇类高沸点溶剂指不含有羟基，且沸点在100℃以上的有机溶剂。所采用的溶剂其高沸点的特性可以保证金属氧化物浆料在室温下的稳定性和良好的成膜性。

较佳地，所述金属氧化物选自TiO₂、ZnO、SnO₂、ZrO₂、Al₂O₃、NiO、SiO₂、BaSnO₂、SrTiO₃、Zn₂SnO₄、CaTiO₃、BaTiO₃、MgAl₂O₄、SiZrO₃、FeTiO₃中的至少一种。

较佳地，所述非离子表面活性剂选自嵌段共聚物、聚氧乙烯醚、氟表面活性剂中的至少一种。