CN110342564A - 一种片状结构CuO纳米光热转换材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片状结构CuO纳米光热转换材料及其制备方法。本发明通过将乙酸铜和柠檬酸钠加入去离子水后超声分散10～30min，得到溶液A；将氢氧化钠加入去离子水后超声分散10～20min，得到溶液B；在均匀搅拌条件下，将溶液B缓慢滴加到溶液A中得到前驱体溶液；将前驱体溶液置于120～150℃温度环境中加热反应6～10h，将反应产物洗涤、离心，将所得到的黑色沉淀物干燥，得到片状结构的CuO纳米光热转换材料。本发明方法简单，适于工业化生产，所得到的CuO纳米材料可用于对太阳能的光热转换利用，为高效吸收和利用太阳能提供了一种简单可行的方法。

Description

一种片状结构CuO纳米光热转换材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米材料科学领域，尤其是涉及一种片状结构CuO纳米光热转换材料及其制备方法。
背景技术
由于传统矿物能源的不可持续性，以及传统矿物能源在燃烧过程中引起的环境污染问题也日趋严重，因此迫切需要开发可再生能源以保证人类社会的可持续发展。在众多的能源中，太阳能因其来源简单、广泛、对环境没有任何危害，而且不产生二次污染，因此，太阳能是用来替代传统能源的最理想能源，如何高效吸收和利用太阳能就成为研究者们非常关注的焦点问题。
光热转换是利用吸收装置将吸收的太阳能直接转换为热能，是最简单的太阳能利用方式。上世纪70年代，Abdelrahman等人(Abdelrahman M,et al.Solar Energy,1979,22:45–48)提出一种黑液集热器，这种集热器的工作流体直接吸收太阳辐射，从而避免了热量从吸热表面向工作介质的传递，能使传热过程得到大大简化。氧化铜是一种窄带隙半导体，其光子禁带值约为1.32eV，其在可见光波段具有良好的光吸收性能；同时，其导热系数非常大，高达61W/(m·K)。因此，可以将CuO制备成纳米材料，并将其分散在基液中形成纳米流体，既能高效吸收太阳光能，又能将转换的热能及时传导出去，所以，研究CuO纳米材料的光热转换性能具有重要的应用价值。
目前，研究者们通过多种方法合成了许多不同形貌的CuO纳米材料，主要包括纳米线、纳米棒、纳米花及纳米颗粒等结构，但对片状结构的CuO纳米材料却研究较少。我们知道，片状结构的纳米材料由于结构尺寸均匀，比表面积大，吸收效果好，所以对太阳光能的捕获能力强，因此，研究片状结构CuO纳米材料的制备方法及其在太阳能光热转换领域的应用，对降低环境污染、高效吸收和利用太阳能具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种片状结构CuO纳米光热转换材料及其制备方法，该纳米材料可用于对太阳能的光热转换利用领域。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种片状结构CuO纳米光热转换材料及其制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将原料加入去离子水后超声分散10～30min，得到溶液A；其中，所述原料包括按摩尔比为1:(0.5～2.0)的乙酸铜和柠檬酸钠；将氢氧化钠加入去离子水超声10～20min，得到溶液B；
(2)将溶液B滴加到溶液A中得到前驱体溶液，该前驱体溶液中乙酸铜与氢氧化钠的摩尔比为1:(4～10)；
(3)将上述前驱体溶液置于120～150℃温度环境中加热反应6～10h，将反应产物洗涤、离心，将得到的黑色沉淀物干燥，得到片状结构的CuO纳米光热转换材料。
优选地，在步骤(1)中，所述溶液A中，乙酸铜与去离子水的摩尔体积比为4mmol：40mL；所述溶液B中，氢氧化钠与去离子水的摩尔体积比为(16～40)mmol：40mL。
优选地，在步骤(2)中，所述滴加过程在稳定均匀搅拌的条件下进行。
优选地，在步骤(3)中，将混合溶液转移至烘箱中的聚四氟乙烯反应釜内进行所述加热反应。
优选地，在步骤(3)中，所述洗涤、离心为：将反应产物依次用去离子水、无水乙醇洗涤后离心，并重复该洗涤、离心操作3～5次；
在步骤(3)中，所述黑色沉淀物干燥温度为60～120℃。
本发明进一步公开了上述制备方法得到的片状结构的CuO纳米光热转换材料。
本发明进一步公开了上述片状结构的CuO纳米材料在太阳能光热转换方面的应用。
优选地，该应用过程具体为：将CuO/水纳米流体在模拟太阳光照射下进行光热转换性能测试。
优选地，所述CuO/水纳米流体由片状结构的CuO纳米材料均匀分散于去离子水中所得。
与现有技术相比，本发明利用简单的水热反应法合成出具有光热转换性能的片状结构CuO纳米材料，用于对太阳能的光热转换过程，为高效吸收和利用太阳能提供了一种简单可行的方法，具有以下优点：
(1)片状结构的CuO纳米材料合成工艺简单，通过改变反应物的加入量及反应容器的大小可以得到不同量的纳米结构材料，适合于工业化生产；
(2)通过控制水热反应的时间及温度可以使制备的CuO纳米材料结晶度较高，在优选条件下，片状结构材料具有较大的比表面积，有利于增强对太阳光能的吸收，为高效转换和利用太阳能提供了更大的可能性。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备得到片状结构CuO纳米材料的XRD谱图；
图2是本发明实施例1中制备得到片状结构CuO纳米材料的SEM照片；
图3是本发明实施例1中CuO/水纳米流体在模拟太阳光照射下的光热转换性能曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
(1)分别称取0.80g乙酸铜和2.352g柠檬酸钠用40mL去离子水配制成溶液A，超声分散20min；称取1.60g NaOH用40mL去离子水配制成溶液B，超声分散10min；
(2)在搅拌条件下，将溶液B滴加到溶液A中，形成前驱体溶液C；将前驱体溶液C转移至聚四氟乙烯反应釜中，放入烘箱中加热反应8h，温度为140℃；
(3)取出反应后的产物，过滤出沉淀物，分别用去离子水和无水乙醇洗涤并离心3次，得到沉淀物；将沉淀物置于烘箱中加热6h，温度为80℃，收集黑色产物即得到本发明片状结构的CuO纳米材料。
参见附图1，按实施例1所述方法制得的CuO纳米材料的X射线粉末衍射分析(XRD)谱图。图中谱线峰位与JCPDF标准卡片(05-0661)的所有衍射晶面一一对应，表明为单斜晶型的氧化铜，没有发现不纯的衍射峰，说明制得的是纯相CuO晶体。
参见附图2，按实施例1所述方法制得的CuO纳米材料的扫描电镜(SEM)照片。从图中可以看到CuO纳米材料以片状结构为主，其厚度约为100nm，其尺寸大小约为200～500nm，分布比较均匀。
参见附图3，按实施例1所述方法制得的CuO纳米材料配制的质量浓度分别为0.05％、0.02％和0.01％的CuO/水纳米流体在模拟太阳光照射下的光热转换效果图。图中显示，CuO纳米材料在太阳光照射下具有很好的光热转换性能，在相同照射时间下，随着纳米材料质量浓度增大，流体的温度升高越大。
实施例2
(1)分别称取0.80g乙酸铜和2.352g柠檬酸钠用40mL去离子水配制成溶液A，超声分散20min；称取1.60g NaOH用40mL去离子水配制成溶液B，超声分散10min；
(2)在搅拌条件下，将溶液B滴加到溶液A中，形成前驱体溶液C；将前驱体溶液C转移至聚四氟乙烯反应釜中，放入烘箱中加热反应10h，温度为120℃；
(3)取出反应后的产物，过滤出沉淀物，分别用去离子水和无水乙醇洗涤并离心3次，得到沉淀物；将沉淀物置于烘箱中加热4h，温度为100℃，收集黑色产物即得到本发明片状结构的CuO纳米材料。
按实施例2所述方法制得的CuO纳米材料，用SEM观察为片状结构的纳米材料。
取该实施例制备的CuO纳米材料配制CuO/水纳米流体做光热转换性能测试，测试结果与实施例1相近。
实施例3
(1)分别称取0.80g乙酸铜和1.176g柠檬酸钠用40mL去离子水配制成溶液A，超声分散20min；称取1.20g NaOH用40mL去离子水配制成溶液B，超声分散10min；
(2)在搅拌条件下，将溶液B滴加到溶液A中，形成前驱体溶液C；将前驱体溶液C转移至聚四氟乙烯反应釜中，放入烘箱中加热反应10h，温度为120℃；
(3)取出反应后的产物，过滤出沉淀物，分别用去离子水和无水乙醇洗涤并离心3次，得到沉淀物；将沉淀物置于烘箱中加热4h，温度为100℃，收集黑色产物即得到本发明片状结构的CuO纳米材料。
按实施例3所述方法制得的CuO纳米材料，用SEM观察为片状结构的纳米材料。
取该实施例制备的CuO纳米材料配制CuO/水纳米流体做光热转换性能测试，测试结果与实施例1相近。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种片状结构CuO纳米光热转换材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将原料加入去离子水后超声分散10～30min，得到溶液A；其中，所述原料包括按摩尔比为1:(0.5～2.0)的乙酸铜和柠檬酸钠；将氢氧化钠加入去离子水超声10～20min，得到溶液B；
(2)将溶液B滴加到溶液A中得到前驱体溶液，该前驱体溶液中乙酸铜与氢氧化钠的摩尔比为1:(4～10)；
(3)将上述前驱体溶液置于120～150℃温度环境中加热反应6～10h，将反应产物洗涤、离心，将得到的黑色沉淀物干燥，得到片状结构的CuO纳米光热转换材料。
2.如权利要求1所述的片状结构CuO纳米光热转换材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述溶液A中，乙酸铜与去离子水的摩尔体积比为4mmol：40mL；所述溶液B中，氢氧化钠与去离子水的摩尔体积比为(16～40)mmol：40mL。
3.如权利要求1所述的片状结构CuO纳米光热转换材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述滴加过程在稳定均匀搅拌的条件下进行。
4.如权利要求1所述的片状结构CuO纳米光热转换材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，将混合溶液转移至烘箱中的聚四氟乙烯反应釜内进行所述加热反应；
在步骤(3)中，所述洗涤、离心为：将反应产物依次用去离子水、无水乙醇洗涤后离心，并重复该洗涤、离心操作3～5次；
在步骤(3)中，所述黑色沉淀物干燥温度为60～120℃。
5.权利要求1～4任一项所述的制备方法得到的片状结构CuO纳米光热转换材料。
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