CN105293563B - 氧化锌纳米片簇及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化锌纳米片簇及其制备方法。该制备氧化锌纳米片簇的方法，包括如下步骤：1)将锌盐的水溶液和碱液进行反应，得到Zn(OH)₄ ^2‑的水溶液；2)将步骤1)所得Zn(OH)₄ ^2‑的水溶液置于去离子水中进行沉淀反应，反应完毕收集沉淀，干燥，得到所述氧化锌纳米片簇。本发明提供了一种低成本，高产率的氧化锌纳米片簇的制备方法，该方法工艺简单，无需高温加热，无需添加络合剂，产物形貌可控性好，可制备得到形貌单一，尺寸分散度小的纳米片簇，适合工业化生产。

Description

氧化锌纳米片簇及其制备方法

技术领域

本发明属于化学领域，涉及一种纳米材料，具体涉及一种氧化锌纳米片簇及其制备方法。

背景技术

氧化锌是一种重要的宽禁带半导体材料，常温下具有3.37eV的禁带宽度和60meV的激子束缚能，而且无污染，资源丰富，因此广泛应用于传感器，光催化，光电转换等领域。纳米尺度的氧化锌由于尺寸效应，表现出独特的物化特性，而且比表面积大，易于制备薄膜，因此相对于块体材料具有更加重要的应用价值。借助不同的合成方法，人们制备了丰富的氧化锌微纳米结构，包括纳米棒，纳米片，纳米带，纳米纺锤体,纳米花等。

纳米片簇的微纳复合结构即保持了纳米片比表面积大，电子传输速率快的特点，又避免了片与片间的堆叠和团聚，因此是一种理想的微纳复合结构，在气敏器件和染料敏化太阳能电池等领域表现出优异的性能。关于纳米片簇的制备有一定的报道，如中国专利CN 102249286 B公开了一种利用锌盐、碱和氟化铵作为原料，一定温度下水浴反应制备氧化锌纳米球的方法；Lu等人报道了使用硝酸锌和环六亚甲基四胺为原料，柠檬酸钠为络合剂，制备超薄片簇的方法(Journal of Materials Chemistry,2011,21,4228-4234)。上述方法均需要在一定的温度下加热反应，而且为了限制纳米片的生长，使用了特定的化合物作为络合剂，这些都增加了实际生产过程中的成本及能耗。因此发展一种简单、高产率、低能耗的制备氧化锌纳米片簇的方法非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化锌纳米片簇及其制备方法。

本发明提供的制备氧化锌纳米片簇的方法，包括如下步骤：

1)将锌盐的水溶液和碱液进行反应，得到Zn(OH)₄ ^2-的水溶液；

2)将步骤1)所得Zn(OH)₄ ^2-的水溶液置于去离子水中进行沉淀反应，反应完毕收集沉淀，干燥，得到所述氧化锌纳米片簇。

上述方法的步骤1)中，锌盐选自硝酸锌、氯化锌、硫酸锌和醋酸锌中的至少一种；

碱液选自氢氧化钠的水溶液、氢氧化钾的水溶液和氨水中的至少一种；

所述锌盐与碱液中溶质的投料摩尔比为1：4-8，具体为1：6；

所述步骤1)所得Zn(OH)₄ ^2-的水溶液的摩尔浓度为0.1-0.6mol/L，具体为0.4mol/L。

所述步骤2)中，Zn(OH)₄ ^2-的水溶液与去离子水的体积比为1：5-15，具体为1:10；

所述沉淀反应步骤中，温度为20℃-70℃，具体为25℃、50℃或25℃-50℃；时间为0.5-2小时。

另外，按照上述方法制备得到的氧化锌纳米片簇，也属于本发明的保护范围，其中，所述氧化锌纳米片簇的直径为2-10μm，具体为5μm；

所述氧化锌纳米片簇具体由厚度为50-200nm的纳米片组成

本发明提供了一种低成本，高产率的氧化锌纳米片簇的制备方法，该方法工艺简单，无需高温加热，无需添加络合剂，产物形貌可控性好，可制备得到形貌单一，尺寸分散度小的纳米片簇，产率可高达80％，非常适合工业化生产。

附图说明

图1为实施例1制备的ZnO纳米片簇的扫描电子显微镜结果；

图2为实施例1制备的ZnO纳米片簇的XRD结果；

图3为实施例2制备的ZnO纳米片簇的扫描电子显微镜结果；

图4为实施例2制备的ZnO纳米片簇的XRD结果；

图5为实施例3制备的ZnO纳米片簇的扫描电子显微镜结果；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

实施例1

a)在5℃的去离子水中分别加入一定量的醋酸锌和氢氧化钠，配置成初始浓度分别为1mol/L和4mol/L的醋酸锌的水溶液和氢氧化钠的水溶液；

b)取20mL上述醋酸锌的水溶液，缓慢滴加到30mL上述氢氧化钠的水溶液中，搅拌至混合液完全澄清，得到摩尔浓度为0.4mol/L的Zn(OH)₄ ^2-的水溶液；

c)将上述Zn(OH)₄ ^2-的水溶液50mL快速倒入500mL常温(25℃)下的去离子水中，搅拌进行沉淀反应30分钟；

d)将所得悬浊液抽滤，产物用去离子水清洗2遍，乙醇清洗1遍，烘干后得白色粉末，即为本发明提供的氧化锌纳米片簇，产率为80％。

该实施例所得氧化锌纳米片簇的扫描电镜结果见图1，XRD结果见图2。

由图1可看出，氧化锌纳米片簇的直径为5um，由厚度100nm的纳米片组成；

由图2可看出，氧化锌纳米片簇为纯净的纳米氧化锌，不含氢氧化锌、醋酸锌等杂质。

测定利用该实施例所得纳米氧化锌制备所得染料敏化太阳能电池的光电转换效率，具体步骤如下：

1)制备光阳极：取0.5g上述产物，按质量比氧化锌：去离子水＝1：2与去离子水混合均匀，得到氧化锌浆料；通过刮涂法，将该浆料均匀涂覆在FTO导电玻璃表面，室温下晾干后200℃烧结30分钟，制备得到氧化锌光阳极薄膜；该薄膜厚度为10微米，颜色为白色。

2)染料敏化：将上述氧化锌光阳极薄膜浸泡入0.3mmol/L N719/乙醇溶液中，50℃下静置30分钟，取出后用乙醇冲洗表面，得到N719染料敏化的光阳极，颜色为深红色；

3)制备电解液：电解液采用I^-/I₃ ^-离子对电解液；具体配方为：0.1mol/L LiI，0.1mol/LI₂，0.6mol/L1，2-二甲基-3-丙基碘化咪唑鎓，0.4mol/L N-甲基苯并咪唑；溶剂为3-甲氧基乙腈。

4)制备对电极：对电极采用热分解法制备的铂电极；将0.01mol/L的氯铂酸/乙醚溶液喷涂到FTO玻璃表面，待乙醚挥发完全后，500℃烧结1小时；制得的铂层厚度大概为5微米，具有很好的反光特性。

5)制备电池：将步骤2敏化的光阳极四周贴上厚度30微米的胶带，用于限制电解液的厚度；与对电极用夹子夹好，从一侧灌入电解液，从而制备得到基本结构为ZnO光阳极-N719染料/电解液/Pt对电极的染料敏化太阳能电池。电池有效面积为0.25平方厘米。

6)测试光电转换性能：在太阳光模拟器下，通过电化学工作站，测试电池在100mW/cm²光强下的光电转换效率。该参数表示在标准太阳光光谱，100mW/cm²光强下，该太阳能电池能够把光能转换为电能的效率4％。

实施例2：

按照实施例1的步骤，仅将步骤c中常温(25℃)下的去离子水替换为50℃下的去离子水，得到本发明提供的氧化锌纳米片簇，产率为85％。

所得氧化锌纳米片簇的扫描电镜结果及XRD结果见图3和4。

由图可知，提高反应温度后，氧化锌纳米片簇的尺寸并未发生大的改变的，但是纳米尺度上的氧化锌片相对实施例1变的细长，纳米片簇更加致密，纳米片簇的直径为6μm，由100nm厚度的纳米片组成。

XRD结果显示所得产物仍为纯的纳米氧化锌。

按照实施例1的方法测定利用该实施例所得纳米氧化锌制备所得染料敏化太阳能电池的光电转换效率为3.5％。

实施例3：

按照实施例1的步骤，仅将步骤a)中的氢氧化钠替换为氢氧化钾，得到本发明提供的氧化锌纳米片簇，产率为83％。

所得氧化锌纳米片簇的扫描电镜结果见图5。

由图可知，该实施例所得产物同实施例1基本相同，使用不同的碱性前驱体对产物的形貌、组成等影响不大。

按照实施例1的方法测定利用该实施例所得纳米氧化锌制备所得染料敏化太阳能电池的光电转换效率为4％。

Claims (9)

1.一种制备氧化锌纳米片簇的方法，包括如下步骤：

1)将锌盐的水溶液和碱液进行反应，得到Zn(OH)₄ ^2-的水溶液；

所述锌盐为醋酸锌；所述碱液选自氢氧化钠的水溶液和氢氧化钾的水溶液中的至少一种；

所述反应步骤中，温度为0-10℃；

2)将步骤1)所得Zn(OH)₄ ^2-的水溶液置于去离子水中进行沉淀反应，反应完毕收集沉淀，干燥，得到所述氧化锌纳米片簇；

所述沉淀反应步骤中，温度为20℃-70℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述锌盐与碱液中溶质的投料摩尔比为1：4-8；

时间为0.5-2小时。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述锌盐与碱液中溶质的投料摩尔比为1：6；

所述反应步骤中，温度为5℃。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤1)所得Zn(OH)₄ ^2-的水溶液的摩尔浓度为0.1-0.6mol/L。

5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，Zn(OH)₄ ^2-的水溶液与去离子水的体积比为1：5-15；

时间为0.5-2小时。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述沉淀反应步骤中温度为25℃-50℃。

7.权利要求1-6任一项所述方法制备得到的氧化锌纳米片簇。

8.根据权利要求7所述的氧化锌纳米片簇，其特征在于：所述氧化锌纳米片簇的直径为2-10μm；

所述氧化锌纳米片簇具体由厚度为50-200nm的纳米片组成。

9.根据权利要求8所述的氧化锌纳米片簇，其特征在于：所述氧化锌纳米片簇的直径为5μm。