1．实验目的

1)掌握无机纳米材料的合成方法。

2）掌握无机纳米材料常用的表征手段。

3)掌握无机纳米材料的用途—作为对电极材料。

2．实验原理

染料敏化太阳能电池作为第三代太阳能电池，因其低成本和高效率受到科学界广泛关注。通常，染料敏化太阳能电池由工作电极、对电极和电解质三部分组成。作为主要成员之一的对电极材料通常用Pt，而铂金属在自然界中是稀少和昂贵的。因此，寻找非铂材料用作对电极材料是十分必要的。作为染料敏化太阳能电池的对电极材料应具有良好的催化活性、电活性，如果能找到价格低廉的材料取代常用的金属铂且能收到较好的效率是人们长期研究的热点。金属氧化物氧化铁的制备工艺简单，且在光解水中表现出较好的催化活性。

氧缺陷化合物具备以下优点：①通常是电子给体，可以作为辅助的电子给体，以促进电子的迁移；②氧缺陷可以作为活性位点吸附I3-，催化还原生成I-。鉴于此，本实验采用操作简易、方法简单、收率高的水热法制备氧化铁。然后在氢气／氮气的混合气体中还原得到氧缺陷Fe2O3-x，并研究作为染料敏化太阳能电池对电极材料的光电性能。氧化铁的合成反应式如下。

FeCl3＋6H2O→Fe（H2O)3+6＋3C1-

Fe(H2O)3+6→FeOOH＋3H+十4H2O

2FeOOH→a-Fe2O3＋H2O

3．仪器和药品

(1）仪器

移液枪；微波炉；导电玻璃（FTO)；水热反应釜；管式炉；电子寿命测试仪器；阻抗测试仪器；加热板；恒温无菌干燥箱；高温烘箱（300℃）；pH计；热封仪；微型打孔机。

(2）药品

六水合氯化铁（FeC13.6H2O)；九水合硝酸铁[Fe(NO3)3.9H2O]；硝酸钠（NaNO3）；盐酸；氯铂酸；surly；铟粒。

4．实验步骤

(1)导电玻璃(FTO）的清洗

将切割为3cm×6cm的导电玻璃依次用一次蒸馏水、氢氧化钾的异丙醇溶液、去离子水、乙醇超声30min，再清洗干净，吹干待用。

(2)a-Fe2O3的合成

配置40ml含0.15mol/L的FeC13·6H2O和1mol/L的NaNO3水溶液，借助于pH计将溶液的pH值调至1.5。将溶液转移至50ml的聚四氟乙烯反应釜中，将清洗干净的导电玻璃置于反应釜内，放在烘箱中于95℃反应4h。冷至室温后，用去离子水冲洗干净并吹干。再将有黄色物的导电玻璃置于管式炉中，于550℃反应2h后，冷却至室温。

(3)a-Fe2O3-x的合成

配置40ml含0.15mol/L的FeC13·6H2O和1mol/L的NaNO3水溶液，利用盐酸将溶液的pH值调至1.5。将溶液转移至50ml的聚四氟乙烯反应釜中，将清洗干净的导电玻璃置于反应釜内，放在烘箱中于95℃反应4h。冷至室温后，用去离子水冲洗干净并吹干。再将有黄色物的导电玻璃置于管式炉中，氮气气氛下于550℃反应2h或10%氢气／氮气气氛下于250℃反应lh后，冷却至室温。

(4)a-Fe2O3和a-Fe2O3-x的表征

用红外光谱仪、X-射线衍射仪（XRD)、扫描电镜（SEM）拉曼光谱仪分析表征生成物。

(5)a-Fe2O3和a-Fe2O3-x的性能研究——作为催化材料在对电极中的应用

将上述烧结有a-Fe2O3和a-Fe2O3-x的导电玻璃作为对电极，吸附有染料的TiO2电极作为工作电极，利用surly乒将电池封装完毕。然后通过对电极的小孔注入电解质。利用光学阻抗法评价其作为对电极材料的催化性能（阻抗和塔菲尔极化曲线），通过光化学测试仪器测试电池的性能（开路光电压、短路光电流、填充因子和光电转换效率等）。

5．数据处理及结果分析

得到的X-射线衍射图如图2-6-1所示，电流一电压曲线如图2-6-2所示。

6．注意事项

1)水热合成注意反应的温度和时间对制备a-Fe2O3形态的影响。

2）反应条件的控制及对水解机理的影响。

3）利用滴涂法制备电极时，滴涂液的浓度不易过高。