一種分等級氧化鋅納米盤材料的製備方法
2023-05-24 03:38:01
一種分等級氧化鋅納米盤材料的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種2D分等級氧化鋅納米盤材料的製備方法。包括如下步驟：(1)將鋅鹽溶解在有機溶劑和水的混合溶劑中，進行超聲反應；(2)將水熱反應後的產物離心分離，經過水洗、醇洗、乾燥，得到顆粒組成的分等級2D氧化鋅納米盤材料。所述的鋅鹽為醋酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、硫酸鋅，鋅鹽的摩爾濃度為0.01~2.0mol/L。本發明方法簡單、方便、快速、重現性好，合成的分等級2D氧化鋅納米盤材料可廣泛用於染料敏化太陽電池、量子點電池、光催化、鋰離子電池等【技術領域】。
【專利說明】一種分等級氧化鋅納米盤材料的製備方法【技術領域】
[0001]本發明涉及氧化鋅(ZnO)納米材料的製備領域，具體涉及一種2D分等級氧化鋅納米盤材料的製備方法，尤其是將其應用在染料敏化太陽電池上。
【背景技術】
[0002]2D納米材料具有原子或分子的厚度和無限平面尺寸從而被認為是最薄的功能材料，由於其電子態在現代電子設備中的關鍵作用，被研究者們認為是最有應用前景的優越材料。由納米顆粒組成的分等級結構材料的可控制備是目前納米材料領域的研究熱點，ZnO的帶隙為3.37 eV，具有較高的電子遷移率，在光催化、吸附、分離、藥物釋放、氣體傳感器、鋰離子電池、太陽電池等領域具有很多重要的應用。
[0003]目前，國際上研究報導了水熱合成氧化鋅納米片，但未將其應用到染料敏化太陽電池中。分等級納米結構材料由於具有較快的電子傳輸速率、較長的壽命、優越的光散射能力等優點而引起了巨大的關注，被認為有可能大大提高電池的光電轉換效率，然而關於分等級2D氧化鋅納米材料作為SnO2電池的阻擋層和散射層，目前文獻上還沒有相關報導。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於基於2D納米材料的優勢及ZnO在光催化、吸附、分離、藥物釋放、氣體傳感器、鋰離子電池、太陽電池等領域具有很多重要的應用，提供一種由納米粒子組裝而成的分等級的2D氧化鋅材料的超聲製備方法，具有合成方法簡單、方便、快速及重現性好等優點。通過優化實驗條件控制氧化鋅納米顆粒的尺寸和盤的直徑及厚度，並且對製備的材料進行染料敏化太陽電池方面的應用研究。
[0005]本發明目的通過以下技術方案來實現:
一種2D分等級氧化鋅納米盤材料的製備方法，其特徵在於按如下的步驟進行:
(I)將鋅鹽溶解在有機溶劑和水的混合溶劑中，進行超聲反應；所述鋅鹽為醋酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、硫酸鋅，鋅鹽的摩爾濃度為0.01-2.0 mol/L。所述有機溶劑為乙二醇、二乙醇胺、一縮二乙二醇(二甘醇)、1，2_丙二醇、聚乙二醇或丙三醇。
[0006](2)將超聲反應後的產物離心分離，經過水洗、醇洗、乾燥，得到顆粒組成的氧化鋅納米盤。所述有機溶劑和水的混合溶劑中，水的體積佔混合溶劑體積的5~90 %。
[0007]本發明所述分等級氧化鋅納米盤材料的直徑為100~600 nm,厚度為l(T100 nm,組成分等級氧化鋅納米盤材料的納米顆粒的尺寸為5~30 nm。
[0008]所述超聲反應是通過超聲細胞粉碎儀完成的，超聲功率為50-500 W，振幅為10-80%。超聲反應的時間為1飛0 min，乾燥的溫度為2(T100°C。
[0009]本發明將鋅鹽溶解在有機溶劑和水的混合溶劑中，進行超聲反應；然後將超聲反應後的產物離心分離，經過水洗、醇洗、乾燥，得到顆粒組成的氧化鋅納米盤。利用本發明的超聲合成法製備了由氧化鋅顆粒(5~30 nm)組成的2D分等級氧化鋅納米盤材料(直徑為100~600 nm，厚度為 I(TlOO nm)。[0010]作為一種優選方案，在上述製備方法中，所述鋅鹽為醋酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、硫酸鋅，鋅鹽的摩爾濃度為0.01~2.0 mol/L。
[0011]作為一種優選方案，上述製備方法中，所述為乙二醇、二乙醇胺、一縮二乙二醇(二甘醇)、1，2-丙二醇、聚乙二醇或丙三醇；其中，水的體積佔混合溶劑體積的5~90 %。
[0012]作為一種優選方案，上述製備方法中，所述超聲是通過超聲細胞粉碎儀完成的，超聲功率為50~500 W，振幅為10~80 %。
[0013]作為一種優選方案，上述製備方法中，所述超聲反應的時間為1飛0 min。
[0014]作為一種優選方案，上述製備方法中，所述乾燥的溫度為2(T10(TC。
[0015]本發明方法製得的2D分等級氧化鋅納米盤材料利用X射線粉末衍射、掃描電鏡、透射電鏡等儀器進行了詳細的表徵。
[0016]所述2D分等級氧化鋅納米盤材料的製備方法是經過超聲反應，離心、乾燥所得超聲沉底而得到顆粒組成的2D分等級氧化鋅納米盤材料。 [0017]本發明方法製得的2D分等級氧化鋅納米盤材料可廣泛用於染料敏化太陽電池、量子點電池、光催化、氣體傳感器、鋰離子電池等領域，尤其是作為光陽極材料作為SnO2電池的阻擋層和散射層應用於染料敏化太陽電池領域時，比純SnO2電池具有更高的光電轉換效率。
[0018]本發明公開的2D分等級氧化鋅材料製備方法與現有技術相比，具有如下優點:
(1)本發明利用超聲法製備由納米顆粒組成的2D分等級氧化鋅納米盤材料，此製備方法具有簡單、方便、快速及重現性好等優點；
(2)利用所合成的2D分等級氧化鋅納米盤材料作為SnO2電池的阻擋層和散射層應用於染料敏化太陽電池領域時，比純SnO2電池具有更高的光電轉換效率。
[0019](3)本發明製備方法所得的2D分等級氧化鋅納米盤材料可以用做染料敏化太陽電池的光陽極材料，此種電池主要是模仿光合作用原理，研製出來的一種新型太陽能電池，主要具有以下優勢:(a)原材料豐富、成本低、工藝技術相對簡單，在大面積工業化生產中具有較大的優勢；(b)同時所有原材料和生產工藝無毒、無汙染，部分材料可以得到充分的回收，對新能源與可再生能源的開發利用及保護人類環境具有重要的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為粉末衍射數據:超聲反應後的分等級的2D氧化鋅納米盤材料；
圖2為2D分等級氧化鋅納米盤的掃描電鏡圖，圖中的插入物是所標記處納米盤高倍掃描電鏡圖片；
圖3為2D分等級氧化鋅納米盤的透射電鏡圖，其右上角和下角分別是單個的氧化鋅納米盤的電子衍射圖和低倍透射電鏡圖片；
圖4為基於~14.5 μ m SnO2顆粒+4.0 μ m ZnO的雙層電池和~18.5 μ m SnO2顆粒的染料敏化太陽電池的光電流-電壓曲線；
圖5為基於~14.5 μ m SnO2顆粒+4.0 μ m ZnO的雙層電池和~18.5 μ m SnO2顆粒的染料敏化太陽電池的IPCE曲線圖。
【具體實施方式】[0021]下面結合具體實施例對本發明做進一步說明，下述各實施例僅用於說明本發明而並非對本發明的限制。其中所用到的醋酸鋅、乙二醇、二乙醇胺等化學試劑均有市售。
[0022]實施例1
利用醋酸鋅、乙二醇、水和二乙醇胺作為原料，利用超聲方法合成分等級的2D氧化鋅納米盤材料。首先分別稱2.195 g Zn(CH3COO)2.2H20加入到150 mL燒杯中，用量筒分別量取60 mL乙二醇、40 mL H2O和10 mL 二乙醇胺依次加入到燒杯中，持續攪拌30 min，使其成為均勻溶液，將超聲波細胞破碎儀的探頭放入燒杯中，並將其功率調節為300 W，設置超聲模式為8 S，振幅為50 %，超聲時間為10 min，超聲結束後冷卻溶液至室溫，離心分離取白色沉澱，對所得沉澱進行水洗、醇洗各3次，60 °C烘乾，得到由納米顆粒組成的分等級的2D氧化鋅納米盤。
[0023]乾燥後的白色粉末直接用於粉末衍射測試，判斷其晶型，結果表明所製備的產品為氧化鋅(圖1，XRD)。用掃描電鏡來表徵其形貌，發現得到的樣品是2D氧化鋅納米盤材料(圖2，FE-SEM)，納米盤的直徑為350-450 nm,厚度為50_60nm。用透射電鏡來測定其形貌和晶體結構(圖3, TEM),發現分等級2D氧化鋅納米盤材料是由納米顆粒組成的,納米顆粒的尺寸約20 nm。[0024]取Ig由實驗合成的分等級2D氧化鋅納米盤粉末，加入到由3g松油醇、0.2 mL冰醋酸、9 mL無水乙醇0.5g乙基纖維素的混合溶液中，攪拌24 h後，將攪拌後的漿料超聲處理20 min,然後將其進一步分散，密封漿料待用。
[0025]採用絲網印刷的方法將首先將~15 nm SnO2顆粒印刷在FTO導電玻璃上，在程序控溫馬弗爐中500 °C熱處理lh，冷卻至室溫後，於70°C條件下浸泡於40 mM TiCl4的水溶液中30 min，從TiCl4溶液中取出SnO2工作電極，分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌三次，晾乾，然後520 °C燒結30 min，冷卻至室溫，形成SnO2-TiO2殼-殼結構電極。然後將上述製得的氧化鋅漿料刷好錫酸鋅印刷在SnO2-TiO2殼-殼結構電極上，形成雙層複合電極，同樣在程序控溫馬弗爐中500 °C熱處理Ih燒去乙基纖維素，冷卻到80°C左右時，將其浸泡於N719染料中約20小時，取出即可得到吸附N719染料的SnO2-ZnO複合工作電極。用氯鉬酸的異丙醇溶液滴在另一塊FTO導電玻璃上，在400°C條件下煅燒15 min，製得含Pt的對電極；最後在工作電極上滴加電解液(電解液的配方為:0.6 mol/L PMII,0.03 mol/L I2,0.05 mol/L LiI,0.1 mol/L Guanidinium thiocyanate (GuSCN),0.5 mol/L 4-tert-butylpyridine(TBP)溶解在體積比為85:15的乙腈和戊腈混合液中)，用三明治式的方法封裝電池。所得的基於~14.5 μ m SnO2顆粒+4.0μm ZnO的雙層電池的光電轉換效率為5.55 % (見圖4)。IPCE積分電流與短路電流的結果一致(見圖5)。雙層電池結構集合了吸附較多的染料、較快的電子傳輸速率、較長的壽命和優越的光散射能力，進而有效提高了雙層電池結構的光電轉換效率，比同樣厚度的SnO2顆粒(18.5 μ m)的染料敏化太陽電池的光電轉換效率(4.30 %)高 29.I % (見圖)。
[0026]實施例2
利用硫酸鋅、一縮二乙二醇、水和二乙醇胺作為原料，利用超聲方法合成2D分等級氧化鋅納米盤材料。首先分別稱2.876 g硫酸鋅ZnSnO4加入到150 mL燒杯中，用量筒分別量取60 mL —縮二乙二醇、40 mL H2O和10 mL二乙醇胺依次加入到燒杯中，持續攪拌30 min,使其成為均勻溶液，將超聲波細胞破碎儀的探頭放入燒杯中，並將其功率調節為500 W，設置超聲模式為8 s，振幅為70 %，超聲時間為10 min，超聲結束後冷卻溶液至室溫，離心分離取白色沉澱，對所得沉澱進行水洗、醇洗各3次，60 °C烘乾，得到由納米顆粒組成的2D分等級氧化鋅納米盤。
[0027]實施例3 利用醋酸鋅、1，2_丙二醇、水和二乙醇胺作為原料，利用超聲方法合成2D分等級氧化鋅納米盤材料。首先分別稱0.2195 g Zn(CH3COO)2.2Η20加入到150 mL燒杯中，用量筒分別量取60 mL 1，2-丙二醇、40 mL H2O和10 mL 二乙醇胺依次加入到燒杯中，持續攪拌30min，使其成為均勻溶液，將超聲波細胞破碎儀的探頭放入燒杯中，並將其功率調節為500W，設置超聲模式為8 S，振幅為50 %，超聲時間為1.0 min，超聲結束後冷卻溶液至室溫，離心分離取白色沉澱，對所得沉澱進行水洗、醇洗各3次，60 °C烘乾，得到由納米顆粒組成的2D分等級氧化鋅納米盤。
【權利要求】
1.一種2D分等級氧化鋅納米盤材料的製備方法，其特徵在於按如下的步驟進行: (1)將鋅鹽溶解在有機溶劑和水的混合溶劑中，進行超聲反應； (2)將超聲反應後的產物離心分離，經過水洗、醇洗、乾燥，得到顆粒組成的氧化鋅納米盤； 所述鋅鹽為醋酸鋅、氯化鋅、硝酸鋅、硫酸鋅，鋅鹽的摩爾濃度為0.01~2.0 mol/L ； 所述有機溶劑為乙二醇、二乙醇胺、一縮二乙二醇(二甘醇)、1，2_丙二醇、聚乙二醇或丙三醇。
2.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述分等級氧化鋅納米盤材料的直徑為100^600 nm,厚度為l(T100 nm,組成分等級氧化鋅納米盤材料的納米顆粒的尺寸為5~30nm0
3.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述有機溶劑和水的混合溶劑中，水的體積佔混合溶劑體積的5~90 %。
4.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述超聲反應是通過超聲細胞粉碎儀完成的，超聲功率為50~500 W，振幅為10~80%。
5.權利要求1所述的製備方法，特徵在於所述超聲反應的時間為1飛0min0
6.權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述乾燥的溫度為2(T10(TC。
7.採用權利要求1所述的製備方法製備的2D分等級氧化鋅納米盤材料在提高電池的光電轉換效率方面的應用。
【文檔編號】C01G9/02GK103922389SQ201410158300
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月21日 優先權日:2014年4月21日
【發明者】王玉芬, 李建文, 李喜飛, 李德軍 申請人:天津師範大學