CN107488362A - 一种可见光响应天然染料及其提取方法和在染料敏化太阳能电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可见光响应天然染料及其提取方法和在染料敏化太阳能电池中的应用。本发明提供了一种可见光响应天然染料的提取方法，包括以下步骤：提供含有可见光响应色素的植物原料；将所述植物原料粉碎，得到植物粉末；将所述植物粉末与丙酮混合后进行超声，得到可见光响应天然染料。本发明以丙酮为溶剂，利用丙酮对可见光响应色素的相似相容性，对植物原料中的可见光响应色素进行超声提取，针对性强，提取效果好。实验结果表明，本发明提供的方法与甲醇、乙醇、石油醚和乙酸乙酯为溶剂相比，提取效果好，得到的可见光响应天然染料在可见光光谱范围内吸收强度高。
Description
技术领域
本发明涉及天然染料提取技术领域，特别涉及一种可见光响应天然染料及其提取方法和在染料敏化太阳能电池中的应用。
背景技术
绿色可持续发展是当今世界的发展主流，能源的绿色可持续性利用更是以后的关注焦点。太阳能资源因其绿色、无污染、资源丰富等特点引起广泛的关注与发展。染料敏化太阳能(DSSCs)自1991年由瑞士研究小组首次报道以来，引起国内外科学家的高度重视并取得长足进展，目前光电转化效率已达到12％。染料敏化太阳能是根据自然界中的光合作用设计而来，工作原理主要是对自然可见光的吸收而激发光电子在回路中进行传输，故染料敏化剂的优劣对电池工作效率有着决定作用。
当前染料敏化太阳能所使用的染料多为钌的各类配合物，制作价格高昂。植物天然染料因其制作成本低、提取方便、绿色环保等特点成为新的研究热点，在染料敏化太阳电池(DSSCs)的各类敏化剂中占有相当地位。张胜寒等在《染料敏化太阳能电池天然染料制备及性能分析》中公开了以乙醇为溶剂提取了绿色、紫色、红色、黑色和黄色五大色系23种不同植物中的色素，并具体公开了提取的色素的响应光谱范围。但是，上述提取方法中待提取染料与溶剂的针对性差，因此染料的提取效果差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可见光响应天然染料及其提取方法和在染料敏化太阳能电池中的应用。本发明提供的可见光响应天然染料的提取方法待提取染料与溶剂的针对性强，染料的提取效果好。
本发明提供了一种可见光响应天然染料及其提取方法和在染料敏化太阳能电池中的应用，包括以下步骤：
(1)提供含有可见光响应色素的植物原料；
(2)将所述步骤(1)中的植物原料粉碎，得到植物粉末；
(3)将所述步骤(2)得到的植物粉末与丙酮混合后进行超声，得到可见光响应天然染料。
优选的，所述步骤(1)中可见光响应色素的响应光波长为400～550nm。
优选的，所述步骤(1)中的可见光响应色素包括叶绿素、叶黄素和类胡萝卜素中的一种或多种。
优选的，所述步骤(1)中的植物原料包括辣椒、菠菜、藏红花和红枸杞中的一种或多种。
优选的，所述步骤(2)中植物粉末的粒径为0.5～1mm。
优选的，所述步骤(3)中植物粉末的质量与丙酮的体积比为1g:30～40mL。
优选的，所述步骤(3)中的超声在避光且密封的条件下进行。
优选的，所述步骤(3)中超声的频率为30～50Hz，超声的温度为23～27℃，超声的时间为150～250min。
本发明还提供了上述技术方案所述提取方法提取的可见光响应天然染料。
本发明还提供了上述技术方案所述可见光响应天然染料在染料敏化太阳能电池中的应用。
本发明提供了一种可见光响应天然染料的提取方法，包括以下步骤：提供含有可见光响应色素的植物原料；将所述植物原料粉碎，得到植物粉末；将所述植物粉末与丙酮混合后进行超声，得到可见光响应天然染料。本发明以丙酮为溶剂，利用丙酮对可见光响应色素的相似相容性，对植物原料中的可见光响应色素进行超声提取，针对性强，提取效果好。实验结果表明，本发明提供的方法与甲醇、乙醇、石油醚和乙酸乙酯为溶剂相比，提取效果好，得到的可见光响应天然染料在可见光光谱范围内吸收强度高。
附图说明
图1为本发明实施例1和对比例1～4中染料吸收光谱对比图；
图2为本发明实施例2和对比例5～8中染料吸收光谱对比图；
图3为本发明实施例3和对比例9～12中染料吸收光谱对比图；
图4为本发明实施例4和对比例13～16中染料吸收光谱对比图；
图5为本发明实施例1～4中可见光响应天然染料吸收光谱对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种可见光响应天然染料的提取方法，包括以下步骤：
(1)提供含有可见光响应色素的植物原料；
(2)将所述步骤(1)中的植物原料粉碎，得到植物粉末；
(3)将所述步骤(2)得到的植物粉末与丙酮混合后进行超声，得到可见光响应天然染料。
本发明提供含有可见光响应色素的植物原料。在本发明中，所述可见光响应色素的响应光波长优选为400～550nm，更优选为430～500nm。在本发明中，所述可见光响应色素优选包括叶绿素、叶黄素和类胡萝卜素中的一种或多种。
本发明优选对于植物进行筛选和分类，将不同植物分为不同色系，对不同植物所含的色素类型进行前期查询，选择含有可见光响应色素的植物原料。本发明对所述筛选和分类的方式没有特殊的限定，根据本领域公开的植物与所含色素种类筛选含有可见光响应色素的植物即可。在本发明中，所述植物原料优选包括辣椒、菠菜、藏红花和红枸杞中的一种或多种。在本发明中，所述辣椒优选为辣椒果实；所述菠菜优选为菠菜茎叶；所述藏红花优选为藏红花花瓣；所述红枸杞优选为红枸杞果实。本发明对所述植物原料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
得到植物原料后，本发明将所述植物原料粉碎，得到植物粉末。本发明对所述粉碎的操作没有特殊的限定，能够将植物原料破碎至所需粒径范围即可。在本发明中，所述破碎优选为机械破碎。在本发明中，所述植物粉末的粒径优选为0.5～1mm，更优选为0.6～0.8mm。
本发明优选在所述粉碎前将植物原料进行干燥。本发明对所述干燥的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的植物干燥的技术方案即可。在本发明中，所述干燥优选为烘干。本发明对所述烘干的温度没有特殊的限定，能够使植物原料脱水且不损伤色素即可。在本发明中，所述烘干的温度优选为60℃以下，更优选为35～50℃，最优选为40～45℃。
得到植物粉末后，本发明将所述植物粉末与丙酮混合后进行超声，得到可见光响应天然染料。本发明对所述植物粉末与丙酮的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的固液混合的技术方案即可。本发明优选将所述植物粉末浸泡于丙酮中实现二者的混合。在本发明中，所述植物粉末的质量与丙酮的体积比优选为1g:30～40mL，更优选为1g:33～36mL。
在本发明中，所述超声在避光且密封的条件下进行。在本发明中，所述超声的频率优选为30～50Hz，更优选为35～45Hz，最优选为40Hz；所述超声的温度优选为23～27℃，更优选为25℃；所述超声的时间优选为150～250min，更优选为180～220min。在本发明中，所述超声过程中实现了丙酮对可见光响应天然染料的充分溶解。在本发明中，所述密封能够避免提取的可见光响应天然染料的挥发；所述避光能够避免提取过程中可见光响应天然染料的分解和对可见光的吸收。
超声完成后，本发明优选将所述超声的产物依次进行静置、过滤和分离，得到可见光响应天然染料。在本发明中，所述静置的时间优选为8～10min，更优选为9min。在本发明中，所述静置能够使较大颗粒沉淀，缩短过滤时间，提高过滤效果。
静置完成后，本发明优选将所述静置的产物进行过滤。本发明对所述过滤的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过滤的技术方案即可。
过滤完成后，本发明优选将所述过滤得到的滤液进行分离，得到可见光响应天然染料。本发明对所述分离的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的去除挥发性溶剂的技术方案即可。在本发明中，所述分离优选为蒸发。本发明对所述蒸发的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的蒸发丙酮的技术方案即可。在本发明中，所述蒸发的温度优选为35～45℃，更优选为38～42℃，最优选为40℃；所述蒸发的时间优选为25～35min，更优选为30min。
本发明还提供了上述技术方案所述提取方法提取的可见光响应天然染料。在本发明中，所述可见光响应染料响应光波长优选为400～550nm，更优选为430～500nm。在本发明中，所述可见光响应天然染料包括一种或多种可见光响应色素，更优选为2～5种，最优选为3～4种。在本发明中，所述可见光响应染料优选包括叶绿素、叶黄素和类胡萝卜素中的一种或多种。
在本发明中，当所述植物原料为一种，且这种植物原料中只包括一种可见光响应色素时，提取的可见光响应天然染料为一种可见光响应色素；当所述植物原料为一种，且这种植物原料中包括多种可见光响应色素时，提取的可见光响应天然染料为多种可见光响应色素的混合物；当所述植物原料为多种时，提取的可见光响应天然染料为多种可见光响应色素的混合物。
本发明还提供了上述技术方案所述可见光响应天然染料在染料敏化太阳能电池中的应用。在本发明中，所述可见光响应天然染料优选单独用于浸染太阳能电池，或与紫外光响应天然染料混合后用于浸染太阳能电池。在本发明中，当所述可见光响应天然染料与紫外光响应天然染料混合后用于浸染太阳能电池时，所述可见光响应天然染料与紫外光响应天然染料的质量比优选为(1～3):1，更优选为2:1。本发明对所述紫外光响应天然染料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或按照本领域技术人员熟知的提取方法提取即可。
本发明对所述浸染的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的浸染太阳能电池的技术方案即可。在本发明中，所述可见光响应天然染料与紫外光响应天然染料混合后浸染的染料敏化太阳能电池对不仅对可见光的强烈吸收，对紫外光吸收的增加也提高了染料敏化太阳电池的光电转换效率。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种可见光响应天然染料及其提取方法和在染料敏化太阳能电池中的应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
将辣椒果实烘干后粉碎至1mm，称取辣椒粉末两份各3g分别置于烧杯中，量取丙酮溶剂两份各100ml分别倒入烧杯中，用密封膜对烧杯进行密封，之后把烧杯放在装有水温为25℃的自来水超声波中，不断更换超声波中的自来水，使其温度控制在23～27℃之间，以40Hz频率超声200min之后进行静置8min，过滤之后在40℃下进行蒸发分离30min，全程避光操作，得到可见光响应天然染料；另一份过滤后的滤液封存作为检测样品。
对比例1:
将实施例1中的丙酮替换为甲醇进行提取，得到天然染料和检测样品。
对比例2:
将实施例1中的丙酮替换为乙醇进行提取，得到天然染料和检测样品。
对比例3:
将实施例1中的丙酮替换为石油醚进行提取，得到天然染料和检测样品。
对比例4:
将实施例1中的丙酮替换为乙酸乙酯进行提取，得到天然染料和检测样品。
将实施例1和对比例1～4中的检测样品进行测试，得到吸收光谱如图1所示。从图1可以看出，本发明提供的提取方法对于辣椒中可见光响应染料提取的针对性强，提取的染料在453nm处吸收值为1.43，与其他几种溶剂相比，染料的提取效果好。
实施例2:
按照实施例1的方式，将菠菜茎叶烘干后粉碎至1mm后进行提取，得到可见光响应天然染料和检测样品。
对比例5:
将实施例2中的丙酮替换为甲醇进行提取，得到可见光响应天然染料和检测样品。
对比例6:
将实施例2中的丙酮替换为乙醇进行提取，得到天然染料和检测样品。
对比例7:
将实施例2中的丙酮替换为石油醚进行提取，得到天然染料和检测样品。
对比例8:
将实施例2中的丙酮替换为乙酸乙酯进行提取，得到天然染料和检测样品。
将实施例2和对比例5～8中的检测样品进行测试，得到吸收光谱如图2所示。从图2可以看出，本发明提供的提取方法对于菠菜中可见光响应染料提取的针对性强，提取的染料在436nm处吸收值为2.24，与其他几种溶剂相比，染料的提取效果好。
实施例3:
按照实施例1的方式，将藏红花花瓣烘干后粉碎至1mm后进行提取，得到可见光响应天然染料和检测样品。
对比例9:
将实施例3中的丙酮替换为甲醇进行提取，得到可见光响应天然染料和检测样品。
对比例10:
将实施例3中的丙酮替换为乙醇进行提取，得到天然染料和检测样品。
对比例11:
将实施例3中的丙酮替换为石油醚进行提取，得到天然染料和检测样品。
对比例12:
将实施例3中的丙酮替换为乙酸乙酯进行提取，得到天然染料和检测样品。
将实施例3和对比例9～12中的检测样品进行测试，得到吸收光谱如图3所示。从图3可以看出，本发明提供的提取方法对于藏红花中可见光响应染料提取的针对性强，提取的染料在436nm处吸收值为2.3，与其他几种溶剂相比，染料的提取效果好。
实施例4:
按照实施例1的方式，将红枸杞果实粉烘干后碎至1mm后进行提取，得到可见光响应天然染料和检测样品。
对比例13:
将实施例4中的丙酮替换为甲醇进行提取，得到可见光响应天然染料和检测样品。
对比例14:
将实施例4中的丙酮替换为乙醇进行提取，得到天然染料和检测样品。
对比例15:
将实施例4中的丙酮替换为石油醚进行提取，得到天然染料和检测样品。
对比例16:
将实施例4中的丙酮替换为乙酸乙酯进行提取，得到天然染料和检测样品。
将实施例4和对比例13～16中的检测样品进行测试，得到吸收光谱如图4所示。从图4可以看出，本发明提供的提取方法对于红枸杞中可见光响应染料提取的针对性强，提取的染料在453nm处吸收值为1.38，与其他几种溶剂相比，染料的提取效果好。
实施例5:
将实施例1中提取的可见光响应天然染料浸染染料敏化太阳能电池的光电极，得到可见光响应染料敏化太阳能电池。本实施例中制备的可见光响应染料敏化太阳能电池的光电转化效率为6.57％。
实施例6:
将实施例1中提取的可见光响应天然染料和紫外光响应天然染料按照3:1的质量比混合后浸染染料敏化太阳能电池的光电极，得到染料敏化太阳能电池。本实施例中制备的染料敏化太阳能电池的光电转化效率为9.32％。
从以上对比例和实施例可以看出，本发明提供的提取方法与甲醇、乙醇、石油醚和乙酸乙酯为溶剂相比，提取效果好，得到的可见光响应天然染料在可见光光谱范围内吸收强度高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可见光响应天然染料的提取方法，包括以下步骤：
(1)提供含有可见光响应色素的植物原料；
(2)将所述步骤(1)中的植物原料粉碎，得到植物粉末；
(3)将所述步骤(2)得到的植物粉末与丙酮混合后进行超声，得到可见光响应天然染料。
2.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述步骤(1)中可见光响应色素的响应光波长为400～550nm。
3.根据权利要求2所述的提取方法，其特征在于，所述步骤(1)中的可见光响应色素包括叶绿素、叶黄素和类胡萝卜素中的一种或多种。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的提取方法，其特征在于，所述步骤(1)中的植物原料包括辣椒、菠菜、藏红花和红枸杞中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述步骤(2)中植物粉末的粒径为0.5～1mm。
6.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于，所述步骤(3)中植物粉末的质量与丙酮的体积比为1g:30～40mL。
7.根据权利要求1或6所述的提取方法，其特征在于，所述步骤(3)中的超声在避光且密封的条件下进行。
8.根据权利要求7所述的提取方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声的频率为30～50Hz，超声的温度为23～27℃，超声的时间为150～250min。
9.权利要求1～8任意一项所述提取方法提取的可见光响应天然染料。
10.权利要求9所述可见光响应天然染料在染料敏化太阳能电池中的应用。
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| CN201710732761.XA CN107488362A (zh) | 2017-08-24 | 2017-08-24 | 一种可见光响应天然染料及其提取方法和在染料敏化太阳能电池中的应用 |
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