CN113369486B - 一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，涉及太阳能电池板技术领域，以多孔淀粉表面的空隙作为模板、以石墨作为还原剂，氨水作为沉淀剂在超声条件下充分反应后，经真空干燥、在N2保护下焙烧，即得到紫黑色的纳米铜粉颗粒，然后继续通入N2进行保护，直至冷却至室温即可。本发明以多孔淀粉表面的空隙作为模板、以石墨作为还原剂，氨水作为沉淀剂来制备纳米铜，制备工艺简单、成本低，原料使用安全环保，制备的纳米铜颗粒具有纯度高、粒度小、粒径分布区间窄、分散性好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池板技术领域，尤其涉及一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法。
背景技术
太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的器件，主要原理是利用半导体的光电效应，当太阳光照射在太阳能电池上时，电池材料吸收一定波长的入射光，光子激发产生光生电子-空穴对，进而将光能转化为电能。
而当太阳光照射在太阳能电池上时，太阳光发生了反射、吸收和透射。从上述对太阳能电池原理的介绍中可以看出，如果太阳能电池可以减小对太阳光的反射，在其他条件不变的情况下就可以获得更多的光生电子-空穴对，从而增大其光电转化效率。为了找寻上述问题的解决方案，经过科研人员的不断努力和钻研提出了利用纳米金属粒子在太阳能电池表面能与入射光发生表面等离子激元共振作用的方法。表面等离子激元共振可以吸收光子的能量，当入射光频率与其振荡频率相当或相近时，入射光就会被限制在表面等离子激元的附近，从而增加对光的吸收，使得太阳能电池获得的太阳能总量增加，进而改善其光学性能，这就是所谓的表面等离子增强太阳能电池。
金属铜导热性能良好，且价格低廉、储量丰富，以铜纳米颗粒为填充物的纳米流体不仅具有良好的热传导能力，而且对可见光波段表现出强吸收性能，非常适于作为直接吸收式太阳能集热器的循环工质。纳米流体制备是研究所有纳米流体问题的基础，主要涉及纳米粒子可控制备和纳米粒子在基液中稳定分散。然而，现有技术制备纳米铜颗粒粒径分布不均匀、分散性较差、形貌不均一，制备成本低高等缺陷。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，使纳米铜颗粒的制备成本低、纳米铜颗粒粒度小、粒径分布均匀、分散性好。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，纳米铜颗粒制备方法包括以下步骤：
S1、称取多孔淀粉，按1:20的质量体积比溶于去离子水中，得到多孔淀粉溶液；多孔淀粉是一种经济可生物降解，具有蜂窝结构、比表面积大的新型变性淀粉，以多孔淀粉表面的空隙作为模板来制备纳米铜，制备出来的纳米铜颗粒具有纯度高、粒度小、粒径分布区间窄、分散性好等特点，而且成本低、工艺简单。
S2、称取石墨，按1:40的质量体积比加入体积分数为10％的氨水中，超声分散10min，得到石墨混合溶液；以石墨作为还原剂，氨水作为沉淀剂，成本低，使用安全环保，且石墨作为还原剂反应生成纳米铜的初始温度低，制得的纳米铜颗粒较均匀。
S3、称取多孔淀粉6倍质量的铜盐，加入S1中得到的多孔淀粉溶液中，强烈振荡，得到铜离子混合液；
S4、按1:1的体积比分别取S2中得到的石墨混合溶液和S3中得到的铜离子混合液，在超声条件下将铜离子混合液缓慢加入到石墨混合溶液中，添加完毕后搅拌2h，过滤得到沉淀，沉淀用去离子水洗涤数次后，真空干燥，得到以多孔淀粉为模板的前驱体；
S5、将以多孔淀粉为模板的前驱体在N2保护下焙烧，得到紫黑色的纳米铜粉颗粒，然后继续通入N2进行保护，直至冷却至室温即可。
进一步，S3中所述的铜盐为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、醋酸铜的一种。
进一步，S1中所述的多孔淀粉为多孔小麦淀粉，其制备方法如下：
取小麦淀粉，加入4倍体积的磷酸氢二钠和柠檬酸组成的缓冲液，其中，缓冲液由0.2mol/L的磷酸氢二钠和0.1mol/L的柠檬酸按1:1.27的质量比配制而成，缓冲液的PH值为4.8，得到淀粉乳液，将得到淀粉乳液在50℃的恒温水浴锅中预热15min，然后分别取与小麦淀粉等量的α-淀粉酶与糖化酶，混合后加入10倍体积的去离子水稀释得到稀释酶，将稀释酶液加入淀粉乳液中酶解反应5h，反应结束后加入与稀释酶等体积的体积分数为4％的氢氧化钠溶液终止反应，然后离心，将沉淀进行抽滤，将抽滤后的沉淀用去离子水洗涤数次后，放入60℃的烘箱中干燥，粉碎，即得到多孔小麦淀粉。
多孔小麦淀粉的气孔大部分为球状且体积较小、孔隙率大，其耐压强度能够达到9.12MPa，平均孔径为14.28nm，有利于生成粒度小、粒径分布区间窄的纳米铜颗粒。
进一步，S4中所述的超声波条件的超声频率为50～60kHz。60kHz条件下，超声波对液态反应场主要起分散作用，其作用效果取决于超声波对液相介质的空化作用，而空化作用的强弱主要决定于超声波的频率，在相同的液相场中，超声频率50～60kHz引起空化所需的额外能量要少，空化效果也变得较为显著，空化效果越强，引起液相反应场中粒子的扩散速度越快，反团聚的效果也就越好；因此，60kHz条件下生成的纳米铜颗粒颗粒尺寸较小，分布也比较均匀。
进一步，S4中所述的真空干燥的条件为：温度50～60℃、真空度0.09MPa～0.10MPa、干燥时间6～8h。真空条件下能够防止纳米铜被氧化。
进一步，S5中所述的焙烧的条件为：焙烧温度450～550℃、时间2～3h。
进一步，S3中所述的铜盐为醋酸铜。醋酸根离子为含有两个碳原子的弱酸根离子，醋酸铜在水中溶解性较弱，表明醋酸根离子中氧的p轨道与Cu的d轨道可能发生部分重叠，因此CH3COO-与Cu的相互作用强于Cl-、SO4 2-、NO3 2-等强酸盐离子与Cu的相互作用，Cu通过与醋酸根的作用增大了相邻铜离子之间的距离，使其能够更加均匀分散地排布，因而所制备的Cu纳米粒子分散性好。
本发明的有益效果：本发明以多孔淀粉表面的空隙作为模板、以石墨作为还原剂，氨水作为沉淀剂来制备纳米铜，制备工艺简单、成本低，原料使用安全环保，制备的纳米铜颗粒具有纯度高、粒度小、粒径分布区间窄、分散性好等特点。
附图说明
图1是本发明的不同铜盐所制备的纳米铜颗粒的SEM图(a为硝酸铜、b为氯化铜、c为硫酸铜、d为醋酸铜)。
图2是本发明的以醋酸铜为铜盐制备的纳米铜颗粒粒度大小和分布图。
图3是本发明的以醋酸铜为铜盐制备的纳米铜颗粒在不同焙烧温度纳米颗粒的XRD图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明进行详细说明：
实施例一多孔小麦淀粉的制备
取小麦淀粉100g，加入768mL的磷酸氢二钠和柠檬酸组成的缓冲液，其中，缓冲液由0.2mol/L的磷酸氢二钠和0.1mol/L的柠檬酸按1:1.27的质量比配制而成，缓冲液的PH值为4.8，得到淀粉乳液，将得到淀粉乳液在50℃的恒温水浴锅中预热15min，然后分别取100gα-淀粉酶和100g糖化酶，混合后加入1500mL去离子水稀释得到稀释酶，将稀释酶液加入淀粉乳液中酶解反应5h，反应结束后加入1500mL体积分数为4％的氢氧化钠溶液终止反应，然后离心，将沉淀进行抽滤，将抽滤后的沉淀水洗4次后，放入60℃的烘箱中干燥，粉碎，即得到多孔小麦淀粉。
实施例二
在实施例一制备得到多孔小麦淀粉基础上，本实施例提供一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，包括以下步骤：
S1、称取多孔小麦淀粉50g，溶于1L去离子水中，得到多孔淀粉溶液；
S2、称取石墨25g，加入1L体积分数为10％的氨水中，超声分散10min，得到石墨混合溶液；
S3、称取300g醋酸铜，加入S1中得到的多孔淀粉溶液中，强烈振荡，得到铜离子混合液；
S4、分别取S2中得到的石墨混合溶液和S3中得到的铜离子混合液各500mL，在频率为50kHz的超声条件下将铜离子混合液缓慢加入到石墨混合溶液中，添加完毕后搅拌2h，过滤得到沉淀，沉淀用去离子水洗涤数次后，于50℃、0.09MPaMPa的条件下真空干燥6h，得到以多孔淀粉为模板的前驱体；
S5、将以多孔淀粉为模板的前驱体在450℃的N2保护下焙烧2h，得到紫黑色的纳米铜粉颗粒，然后继续通入N2进行保护，直至冷却至室温即可。
进一步，S3中所述的铜盐为硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、乙酸铜、醋酸铜的一种。
实施例三
在实施例一制备得到多孔小麦淀粉基础上，本实施例提供一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，包括以下步骤：
S1、称取多孔小麦淀粉50g，溶于1L去离子水中，得到多孔淀粉溶液；
S2、称取石墨25g，加入1L体积分数为10％的氨水中，超声分散10min，得到石墨混合溶液；
S3、称取300g醋酸铜，加入S1中得到的多孔淀粉溶液中，强烈振荡，得到铜离子混合液；
S4、分别取S2中得到的石墨混合溶液和S3中得到的铜离子混合液各500mL，在频率为55kHz的超声条件下将铜离子混合液缓慢加入到石墨混合溶液中，添加完毕后搅拌2h，过滤得到沉淀，沉淀用去离子水洗涤数次后，于55℃、0.095MPa的条件下真空干燥7h，得到以多孔淀粉为模板的前驱体；
S5、将以多孔淀粉为模板的前驱体在500℃的N2保护下焙烧2.5h，得到紫黑色的纳米铜粉颗粒，然后继续通入N2进行保护，直至冷却至室温即可。
实施例四
在实施例一制备得到多孔小麦淀粉基础上，本实施例提供一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，包括以下步骤：
S1、称取多孔小麦淀粉50g，溶于1L去离子水中，得到多孔淀粉溶液；
S2、称取石墨25g，加入1L体积分数为10％的氨水中，超声分散10min，得到石墨混合溶液；
S3、称取300g醋酸铜，加入S1中得到的多孔淀粉溶液中，强烈振荡，得到铜离子混合液；
S4、分别取S2中得到的石墨混合溶液和S3中得到的铜离子混合液各500mL，在频率为60kHz的超声条件下将铜离子混合液缓慢加入到石墨混合溶液中，添加完毕后搅拌2h，过滤得到沉淀，沉淀用去离子水洗涤数次后，于60℃、0.10MPa的条件下真空干燥8h，得到以多孔淀粉为模板的前驱体；
S5、将以多孔淀粉为模板的前驱体在550℃的N2保护下焙烧3h，得到紫黑色的纳米铜粉颗粒，然后继续通入N2进行保护，直至冷却至室温即可。
实施例五
本实施例与实施例三的区别在于：本实施例所使用的的铜盐为硝酸铜。
实施例六
本实施例与实施例三的区别在于：本实施例所使用的的铜盐为氯化铜。
实施例七
本实施例与实施例三的区别在于：本实施例所使用的的铜盐为硫酸铜。
实验一
以实施例二至实施例四作为实验组，实施例五至实施例七作为对照组，分别制备纳米铜粉颗粒，利用激光粒度分析仪对各组进行纳米铜粉颗粒的粒径测试，测试结果如表1所示：
表1
由表1数据可知，采用实施例二至实施例七的方法制备得到的纳米铜颗粒中：虽然实验组和对照组所使用的铜盐有所不同，但各组制备得到的纳米铜颗粒直径均在8～25nm之间，平均颗粒直径均在14～17nm；由此可见，采用本发明的方法制备的纳米铜颗粒粒度小、粒径分布区间窄。
试验二
以实施例三、实施例五、实施例六和实施例七制备得到的纳米铜颗粒为材料，利用扫描电子显微镜观察并拍摄使用不同铜盐所制备的纳米铜颗粒的SEM图，结果如图1所示。
以实施例三制备得到的纳米铜颗粒为材料，利用激光粒度分析仪分析纳米铜颗粒粒度大小和分布图，结果如图2所示。并使用X射线衍射仪设备测试不同焙烧温度纳米颗粒的XRD图，结果如图3所示。
由图1～图3可以看出，本发明以多孔淀粉表面的空隙作为模板、以石墨作为还原剂，氨水作为沉淀剂来制备纳米铜，制备工艺简单、成本低，原料使用安全环保，制备的纳米铜颗粒具有纯度高、粒度小、粒径分布区间窄、分散性好；其中，实施例三以醋酸铜为铜盐所制备的纳米铜颗粒粒子分散性最好，实施例七硫酸铜为铜盐所制备的纳米铜颗粒次之。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (5)
1.一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，其特征在于，所述纳米铜颗粒制备方法包括以下步骤：
S1、称取多孔淀粉，按1:20的质量体积比溶于去离子水中，得到多孔淀粉溶液；
所述的多孔淀粉为多孔小麦淀粉，其制备方法如下：
取小麦淀粉，加入4倍体积的磷酸氢二钠和柠檬酸组成的缓冲液，其中，缓冲液由0.2mol/L的磷酸氢二钠和0.1mol/L的柠檬酸按1:1.27的质量比配制而成，缓冲液的PH值为4.8，得到淀粉乳液，将得到淀粉乳液在50℃的恒温水浴锅中预热15min，然后分别取与小麦淀粉等量的α-淀粉酶与糖化酶，混合后加入10倍体积的去离子水稀释得到稀释酶，将稀释酶液加入淀粉乳液中酶解反应5h，反应结束后加入与稀释酶等体积的体积分数为4％的氢氧化钠溶液终止反应，然后离心，将沉淀进行抽滤，将抽滤后的沉淀用去离子水洗涤数次后，放入60℃的烘箱中干燥，粉碎，即得到多孔小麦淀粉；
S2、称取石墨，按1:40的质量体积比加入体积分数为10%的氨水中，超声分散10min，得到石墨混合溶液；
S3、称取多孔淀粉6倍质量的铜盐，加入S1中得到的多孔淀粉溶液中，强烈振荡，得到铜离子混合液；
S4、按1:1的体积比分别取S2中得到的石墨混合溶液和S3中得到的铜离子混合液，在超声波条件下将铜离子混合液缓慢加入到石墨混合溶液中，添加完毕后搅拌2h，过滤得到沉淀，沉淀用去离子水洗涤数次后，真空干燥，得到以多孔淀粉为模板的前驱体；
S5、将以多孔淀粉为模板的前驱体在N2保护下焙烧，焙烧温度450～550℃、时间2～3h，得到紫黑色的纳米铜粉颗粒，然后继续通入N2进行保护，直至冷却至室温即可。
2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，其特征在于，S3中所述的铜盐为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、醋酸铜的一种。
3.根据权利要求2所述的一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，其特征在于，S4中所述的超声波条件的超声频率为50～60kHz。
4.根据权利要求3所述的一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，其特征在于，S4中所述的真空干燥的条件为：温度50～60℃、真空度0.09MPa～0.10MPa、干燥时间6～8h。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种用于太阳能电池板的纳米铜颗粒制备方法，其特征在于，S3中所述的铜盐为醋酸铜。
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