[发明专利]负载型金属氧化物纳米材料及其制备方法

说明书

本发明涉及负载型金属氧化物纳米材料及其制备方法，该负载型金属氧化物纳米材料包括基材和位于该基材上的纳米材料，其制备方法包括预处理步骤在所述基材的至少一个表面上形成金属氧化物种子层、水热合成步骤和后处理步骤，所述负载型金属氧化物纳米材料的用途包括钙钛矿太阳电池、量子点敏化太阳电池、染料敏化太阳电池、光催化装置、光电催化装置、光电传感器。

技术领域

本发明涉及一种制备负载型金属氧化物纳米材料的方法，以及由其制造的负载型金属氧化物纳米材料。

背景技术

金属氧化物纳米材料是粒径达到纳米级的金属氧化物材料，其具有比表面积特别大、表面活性中心多、光电性能优异、化学活性高、化学和光学性质稳定好、催化活性高、耐化学腐蚀、耐热性好、成本低、安全无毒、来源丰富等特点，广泛应用于环境治理、能源转化和存储、传感装置、半导体装置等领域。迄今为止，人们已经发展了多种制备金属氧化物纳米材料途径，包括：湿法，如溶胶凝胶法、微乳液法、水热合成法、化学成法、模板合成法等；固相干法，如研磨法、烧结法、气流撞击法等；气相法，如激光气相沉积法、物理气相沉积法、化学气相沉积法等；以及其它特殊方法，如重力分选法、蒸发冷凝法、辐射合成法等。然而，目前大部分研究集中在制备粉末状的金属氧化物纳米材料。为了便于分离和回收，纳米粉末大多采用粘接、压缩、涂抹等物理方法固定在基材表面形成无序的纳米结构，存在结构和性能不稳定、操作或步骤复杂、可控性差等缺点，这极大地限制了金属氧化物纳米材料的应用。

相对于采用纳米粉末制备的器件(如光电极)，在导电基材上原位生长的金属氧化物纳米材料具有光电子传输能力突出、结构和性能稳定、催化活性更高、比表面积更高、制备工序简单等优点。金属氧化物纳米材料的一个晶面(例如，锐钛矿TiO₂的{001}面)相对于另一个晶面(例如，{101} 面)具有较高的表面能、较高的表面原子暴露率、较高的电子注入能力、较高的导带位置等，因而在光电领域，如光电催化和转化领域，如太阳电池、光电催化分解水、人工光合成等方面表现出优异的性能。因此，制备在表面能较高的晶面上具有高暴露比的纳米金属氧化物材料具有重要的实际意义。

从实际应用角度来看，基材首选透明导电基材，例如，氟掺杂的氧化锡(FTO)导电玻璃。然而，目前报道的在透明导电基材上通过原位生长制备的器件的光电性质和催化活性很不理想，其存在纳米金属氧化物材料和基材的接触不好、具有较高表面能的晶面的暴露比不高以及尺寸较大等等问题。

因此，制备在表面能较高的晶面上具有高面暴露比、高比表面积、性质稳定的纳米金属氧化物材料是个亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题并克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种制备负载型金属氧化物纳米材料的方法，以及由该方法制备的负载型金属氧化物纳米材料。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种制备负载型金属氧化物纳米材料的方法，所述负载型金属氧化物纳米材料包括基材和位于该基材上的金属氧化物的纳米材料，所述基材包含导电玻璃、导电陶瓷、或者它们的混合物；所述金属氧化物包括以下金属元素的氧化物：钛、锌、铁、钒、钼、钨、锰、铌、铼；

所述方法包括如下步骤：

(1)预处理步骤，在该步骤中在所述基材的至少一个表面上形成金属氧化物种子层；

(2)水热合成步骤，在该步骤中，步骤(1)获得的具有种子层的基材与水热反应原料一起经历水热条件的处理，从而在所述种子层上生长与种子层中的金属氧化物相同种类的金属氧化物，所述水热反应原料包含金属源、任选的晶面诱导剂和任选的氧化剂；

(3)后处理步骤，在该步骤中，对经历过水热合成步骤、表面上生长了金属氧化物的基材进行热处理，得到负载型金属氧化物纳米材料。

根据本发明一实施方式，在所述预处理步骤(1)中，通过以下技术在基材的至少一个表面上形成金属氧化物种子层：原子层沉积、物理气相沉积、化学气相沉积、化学液相沉积、电沉积。