一種分等級氧化鋅納米盤材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種2D分等級氧化鋅納米盤材料的制備方法。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(yīng)；(2)將水熱反應(yīng)后的產(chǎn)物離心分離，經(jīng)過水洗、醇洗、干燥，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(fā)明方法簡單、方便、快速、重現(xiàn)性好，合成的分等級2D氧化鋅納米盤材料可廣泛用于染料敏化太陽電池、量子點電池、光催化、鋰離子電池等【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說明】一種分等級氧化鋅納米盤材料的制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氧化鋅(ZnO)納米材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種2D分等級氧化鋅納米盤材料的制備方法，尤其是將其應(yīng)用在染料敏化太陽電池上。
【背景技術(shù)】
[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，由于其電子態(tài)在現(xiàn)代電子設(shè)備中的關(guān)鍵作用，被研究者們認為是最有應(yīng)用前景的優(yōu)越材料。由納米顆粒組成的分等級結(jié)構(gòu)材料的可控制備是目前納米材料領(lǐng)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(lǐng)域具有很多重要的應(yīng)用。
[0003]目前，國際上研究報道了水熱合成氧化鋅納米片，但未將其應(yīng)用到染料敏化太陽電池中。分等級納米結(jié)構(gòu)材料由于具有較快的電子傳輸速率、較長的壽命、優(yōu)越的光散射能力等優(yōu)點而引起了巨大的關(guān)注，被認為有可能大大提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，然而關(guān)于分等級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(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于基于2D納米材料的優(yōu)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(lǐng)域具有很多重要的應(yīng)用，提供一種由納米粒子組裝而成的分等級的2D氧化鋅材料的超聲制備方法，具有合成方法簡單、方便、快速及重現(xiàn)性好等優(yōu)點。通過優(yōu)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，并且對制備的材料進行染料敏化太陽電池方面的應(yīng)用研究。
[0005]本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種2D分等級氧化鋅納米盤材料的制備方法，其特征在于按如下的步驟進行:
(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(yīng)；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(yīng)后的產(chǎn)物離心分離，經(jīng)過水洗、醇洗、干燥，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，水的體積占混合溶劑體積的5~90 %。
[0007]本發(fā)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(yīng)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(yīng)的時間為1飛0 min，干燥的溫度為2(T100°C。
[0009]本發(fā)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(yīng)；然后將超聲反應(yīng)后的產(chǎn)物離心分離，經(jīng)過水洗、醇洗、干燥，得到顆粒組成的氧化鋅納米盤。利用本發(fā)明的超聲合成法制備了由氧化鋅顆粒(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(yōu)選方案，在上述制備方法中，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(yōu)選方案，上述制備方法中，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，水的體積占混合溶劑體積的5~90 %。
[0012]作為一種優(yōu)選方案，上述制備方法中，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(yōu)選方案，上述制備方法中，所述超聲反應(yīng)的時間為1飛0 min。
[0014]作為一種優(yōu)選方案，上述制備方法中，所述干燥的溫度為2(T10(TC。
[0015]本發(fā)明方法制得的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征。
[0016]所述2D分等級氧化鋅納米盤材料的制備方法是經(jīng)過超聲反應(yīng)，離心、干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(fā)明方法制得的2D分等級氧化鋅納米盤材料可廣泛用于染料敏化太陽電池、量子點電池、光催化、氣體傳感器、鋰離子電池等領(lǐng)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(yīng)用于染料敏化太陽電池領(lǐng)域時，比純SnO2電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0018]本發(fā)明公開的2D分等級氧化鋅材料制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
(1)本發(fā)明利用超聲法制備由納米顆粒組成的2D分等級氧化鋅納米盤材料，此制備方法具有簡單、方便、快速及重現(xiàn)性好等優(yōu)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(yīng)用于染料敏化太陽電池領(lǐng)域時，比純SnO2電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0019](3)本發(fā)明制備方法所得的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，研制出來的一種新型太陽能電池，主要具有以下優(yōu)勢:(a)原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢；(b)同時所有原材料和生產(chǎn)工藝無毒、無污染，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(fā)利用及保護人類環(huán)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(shù)據(jù):超聲反應(yīng)后的分等級的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為基于~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為基于~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(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，下述各實施例僅用于說明本發(fā)明而并非對本發(fā)明的限制。其中所用到的醋酸鋅、乙二醇、二乙醇胺等化學(xué)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(xù)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，并將其功率調(diào)節(jié)為300 W，設(shè)置超聲模式為8 S，振幅為50 %，超聲時間為10 min，超聲結(jié)束后冷卻溶液至室溫，離心分離取白色沉淀，對所得沉淀進行水洗、醇洗各3次，60 °C烘干，得到由納米顆粒組成的分等級的2D氧化鋅納米盤。
[0023]干燥后的白色粉末直接用于粉末衍射測試，判斷其晶型，結(jié)果表明所制備的產(chǎn)品為氧化鋅(圖1，XRD)。用掃描電鏡來表征其形貌，發(fā)現(xiàn)得到的樣品是2D氧化鋅納米盤材料(圖2，F(xiàn)E-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(jié)構(gòu)(圖3, TEM),發(fā)現(xiàn)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后，將攪拌后的漿料超聲處理20 min,然后將其進一步分散，密封漿料待用。
[0025]采用絲網(wǎng)印刷的方法將首先將~15 nm SnO2顆粒印刷在FTO導(dǎo)電玻璃上，在程序控溫馬弗爐中500 °C熱處理lh，冷卻至室溫后，于70°C條件下浸泡于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，晾干，然后520 °C燒結(jié)30 min，冷卻至室溫，形成SnO2-TiO2殼-殼結(jié)構(gòu)電極。然后將上述制得的氧化鋅漿料刷好錫酸鋅印刷在SnO2-TiO2殼-殼結(jié)構(gòu)電極上，形成雙層復(fù)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，將其浸泡于N719染料中約20小時，取出即可得到吸附N719染料的SnO2-ZnO復(fù)合工作電極。用氯鉬酸的異丙醇溶液滴在另一塊FTO導(dǎo)電玻璃上，在400°C條件下煅燒15 min，制得含Pt的對電極；最后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。所得的基于~14.5 μ m SnO2顆粒+4.0μm ZnO的雙層電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5.55 % (見圖4)。IPCE積分電流與短路電流的結(jié)果一致(見圖5)。雙層電池結(jié)構(gòu)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(yōu)越的光散射能力，進而有效提高了雙層電池結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xù)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，并將其功率調(diào)節(jié)為500 W，設(shè)置超聲模式為8 s，振幅為70 %，超聲時間為10 min，超聲結(jié)束后冷卻溶液至室溫，離心分離取白色沉淀，對所得沉淀進行水洗、醇洗各3次，60 °C烘干，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(xù)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，并將其功率調(diào)節(jié)為500W，設(shè)置超聲模式為8 S，振幅為50 %，超聲時間為1.0 min，超聲結(jié)束后冷卻溶液至室溫，離心分離取白色沉淀，對所得沉淀進行水洗、醇洗各3次，60 °C烘干，得到由納米顆粒組成的2D分等級氧化鋅納米盤。
【權(quán)利要求】
1.一種2D分等級氧化鋅納米盤材料的制備方法，其特征在于按如下的步驟進行: (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(yīng)； (2)將超聲反應(yīng)后的產(chǎn)物離心分離，經(jīng)過水洗、醇洗、干燥，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(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于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(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述有機溶劑和水的混合溶劑中，水的體積占混合溶劑體積的5~90 %。
4.權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述超聲反應(yīng)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(quán)利要求1所述的制備方法，特征在于所述超聲反應(yīng)的時間為1飛0min0
6.權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述干燥的溫度為2(T10(TC。
7.采用權(quán)利要求1所述的制備方法制備的2D分等級氧化鋅納米盤材料在提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率方面的應(yīng)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(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】王玉芬, 李建文, 李喜飛, 李德軍 申請人:天津師范大學(xué)