一种ZnO超细纳米颗粒、ZnO浆料及制备方法和应用技术

技术编号:21402347 阅读:30 留言:0更新日期:2019-06-19 07:56
本发明专利技术公开了一种ZnO超细纳米颗粒、ZnO浆料及其制备方法和应用,将氢氧化物粉末与锌盐固体混合研磨,加水后陈化,在震荡条件下,洗涤陈化后的沉淀物,离心,沉淀物为ZnO超细纳米颗粒。将ZnO超细纳米颗粒与去离子水混合分散均匀得ZnO浆料。本发明专利技术ZnO超细纳米颗粒制备方法简易、绿色、高效、低成本,通过简单的低温陈化过程(不超过90℃)可以有效促进ZnO再结晶,有利于消除表面杂质缺陷,对材料的半导体特性起到的明显的改善作用。

【技术实现步骤摘要】
一种ZnO超细纳米颗粒、ZnO浆料及制备方法和应用
本专利技术属于新材料与新能源器件领域,具体地涉及一种ZnO超细纳米颗粒、ZnO浆料及其制备方法和应用。
技术介绍
可再生新能源的开发利用是缓解世界能源紧张局面和实现人类社会可持续发展的重要途径。在各种各样的可再生新能源中,太阳能因能量巨大、清洁、分布广泛等优点而被认为是最有前景的新能源之一。通过将太阳光直接转换为电能,太阳能电池是太阳能利用的一种重要方式。光伏发电在未来将成为电力供应的一个重要组成部分。作为一种具有代表性的第三代太阳能电池,染料敏化太阳能电池(Dye-SensitizedSolarcells,简称DSCs)在结构上呈现有机-无机复合。同传统太阳能电池相比,DSCs具有许多突出的优点,例如:成本低廉、制备过程简单、环境友好、可实现多彩化以及易于同建筑物结合等。目前,TiO2是染料敏化太阳能电池主要的光阳极材料,它具有与钌染料的能级匹配性好,电子注入效率高,在酸性染料环境中稳定性好的特点。但TiO2本身具有的光催化作用会导致染料以及电解质的降解,严重影响电池的寿命。而且,TiO2合成方法比较复杂,往往需要用水热法处理,这将导致染料敏化太阳能电池生产成本升高。所以人们在对TiO2进行改进的同时,也在积极寻求可以替代TiO2的材料,如ZnO、SnO2、Nb2O5、ZnSnO4等,其中ZnO是最受关注且具有较大潜力的材料。与TiO2相比,ZnO是一种性能优异的半导体材料:一、ZnO和TiO2均为宽禁带半导体材料(ZnO和TiO2的禁带宽度分别为3.37eV和3.2eV),导带电位相差很小,都位于染料的LUMO之下,所以染料的光激发电子都能够注入到半导体导带上去;二、ZnO具有比TiO2更好的电子传输性能;三、纳米ZnO的制备工艺简单,而且Zn矿的储量丰富,因此使用ZnO有可能会进一步降低电池成本。目前ZnO光阳极的制备方法大致可以分为原位合成法和非原位合成法。原位合成法是指利用化学液相/气相沉积、低温水热或者电化学自组装的方法在导电玻璃基底上生长出一维结构的ZnO光阳极,其中包括ZnO纳米线,纳米管或者纳米棒等,这种一维结构的ZnO光阳极一直是这一领域研究的热点。研究结果表明,电子在垂直于导电基底的单晶阵列结构中传输具有极高的传输速率和最低损耗,因此,电子在一维结构的ZnO光阳极中传输相对比较容易,这有利于光生电子的分离及收集。但是这种结构的ZnO光阳极具有膜厚比较小,膜表面积有限,不能够吸附足够多的染料的不足之处,从而导致电池的光电效率比较低。另外,一维结构的ZnO光阳极制备方法往往比较复杂,不利于实现大规模的工业化生产。例如,PeidongYang小组使用低温水热法制备了单向性更好的阵列纳米线,并研究了其在染料敏化太阳电池中的应用,他们再一次证明电子直线传输的优势。他们将直径为3-4nm的ZnO量子点通过反复蘸涂法在导电玻璃上制成厚度为10—15nm的薄层,然后将上述基底置于硝酸锌、六次甲基四胺和聚乙烯胺的混合液中,在92℃反应2.5h。为了生长出更长的ZnO纳米线,反应期间不断更换新的混合液,重复上述过程二十几次,即可得到结构有序、长尺度的ZnO纳米线。将制备好的ZnO薄膜在400℃退火30min,即可得到ZnO光阳极。使用该方法制备的ZnO光阳极组装出的太阳能电池效率达到了1.5%。非原位合成法是指将合成出的ZnO超细纳米颗粒采用手术刀刮涂、丝网印刷或者机械挤压等办法粘接在导电玻璃或者导电聚合物基底上来制备ZnO光阳极。同一维有序的ZnO光阳极相比,这种方法制备出的ZnO光阳极在单位体积内的表面积较大,可以吸附较多的染料分子。然而,这种方法制备的光阳极内部存在较多的晶界,不利于电子传输。另外,为了获得具有一定孔结构的光阳极,在制备中往往需要加入高分子造孔剂,最后再通过高温烧结去除,这一过程无疑增加了能耗,延长了电池的能量偿还时间且无法在柔性塑料基底上进行制备。因此,从以上分析可以看出,低温制备高性能ZnO光阳极目前依然存在一定的挑战。为了解决这一问题,我们需要从制备方法、材料结构以及光电性能三方面进行考虑。一方面,所采用的制备方法可以确保ZnO低温成核结晶,且不需要在合成过程中加入任何有机模板(或称结构导向剂)。另一方面,所形成的纳米结构可以自堆积成孔,无需外加高分子造孔剂。最后,所形成的ZnO光阳极需同时具有较大的比表面积、优异的孔结构以及良好的导电性。综上,开发一种简易、适合低温制备且高性能优异的ZnO光阳极具有重要意义。
技术实现思路
针对上述现有技术的问题,本专利技术提供了一种ZnO超细纳米颗粒的制备方法,包括如下步骤:步骤一、将氢氧化物与锌盐固体混合研磨,由于该化学反应的产物为ZnO和水,所以研磨后形成糊状物;步骤二、步骤一得到的研磨混合物中加水混合后陈化;步骤三、震荡震荡条件下,洗涤步骤二中陈化后的沉淀物,离心获得的沉淀物即为ZnO超细纳米颗粒。进一步的,陈化温度为25-95℃,陈化时间1~24h,优选的,所述陈化温度为50℃,陈化时间20h。进一步的,ZnO超细纳米颗粒的制备还具体包括下述1)-7)所述中的至少一种:1)所述步骤一中氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾;锌盐为六水合硝酸锌、氯化锌、甲酸锌或二水合醋酸锌;氢氧化物与锌盐摩尔比为3:1~5:1;2)所述步骤一中研磨时间为20-30分钟;3)所述步骤二中加入的水与步骤一中得到的研磨混合物的体积比为20:1~30:1;4)所述步骤三中的震荡包括超声震荡和漩涡震荡,超声震荡频率为35kHz,时间为5分钟;漩涡震荡频率为20Hz,时间为5分钟;5)所述步骤三中采用去离子水洗涤陈化后的沉淀物;6)所述步骤三中3000rpm离心5min;7)重复步骤三4次,以尽可能去除ZnO超细纳米颗粒表面上的盐离子。本专利技术还提供一种采用本专利技术的ZnO超细纳米颗粒的制备方法制备的ZnO超细纳米颗粒。本专利技术还提供了一种ZnO浆料,将本专利技术的ZnO超细纳米颗粒与去离子水混合,分散均匀即得所述ZnO浆料。进一步的,所述ZnO超细纳米颗粒与去离子水的质量比是1:6~1:8;所述分散是在超声震荡和旋涡震荡条件下进行分散,所述超声震荡的频率是35kHz,时间为5分钟;所述旋涡震荡的频率是20Hz,时间为5分钟;重复分散4次。本专利技术还提供了一种ZnO超细纳米颗粒的应用,将本专利技术的ZnO超细纳米颗粒应用于太阳能电池领域。本专利技术还提供了一种ZnO浆料的应用,将本专利技术的ZnO浆料应用于太阳能电池领域。本专利技术的有益效果为:本专利技术ZnO超细纳米颗粒的制备方法简易、绿色、高效、低成本,且易于实现宏量制备,其合成是在常温条件下进行的,实验操作简单、反应快速、原料廉价易得;反应过程不需要有机溶剂参与,符合绿色化学的发展新要求,具有环境友好的优点;通过简单的低温陈化过程(不超过90℃)可以有效促进ZnO再结晶,有利于消除表面杂质缺陷,对材料的半导体特性起到的明显的改善作用。本专利技术提供的ZnO超细纳米颗粒特别适合应用到染料敏化太阳能电池光阳极中。这种光阳极薄膜的热处理操作不需要太高的温度,可以在200℃下进行,因此比较适合制备柔性太阳能电池器件;采用本专利技术制备的ZnO超细纳米颗粒制备的光阳极薄膜是相互交错连接的不规则纳米颗粒形成本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种ZnO超细纳米颗粒的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一、将氢氧化物与锌盐固体混合研磨;步骤二、步骤一得到的研磨混合物中加水混合后陈化;步骤三、震荡震荡条件下,洗涤步骤二中陈化后的沉淀物,离心获得的沉淀物即为ZnO超细纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种ZnO超细纳米颗粒的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一、将氢氧化物与锌盐固体混合研磨;步骤二、步骤一得到的研磨混合物中加水混合后陈化;步骤三、震荡震荡条件下,洗涤步骤二中陈化后的沉淀物,离心获得的沉淀物即为ZnO超细纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的ZnO超细纳米颗粒的制备方法,其特征在于,所述陈化温度为25-95℃,陈化时间1~24h。3.根据权利要求1所述的一种ZnO超细纳米颗粒的制备方法,其特征在于,所述陈化温度为50℃,陈化时间20h。4.根据权利要求1-3任一项所述的ZnO超细纳米颗粒的制备方法,其特征在于,具体包括下述1)-7)所述中的至少一种:1)所述步骤一中氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾;锌盐为六水合硝酸锌、氯化锌、甲酸锌或二水合醋酸锌;氢氧化物与锌盐摩尔比为3:1~5:1;2)所述步骤一中研磨时间为20-30分钟;3)所述步骤二中加入的水与步骤一中得到的研磨混合物的体积比为20:1~30:1;4)所述步骤三中的震荡包括超声震荡和漩涡震荡,超声震荡...

【专利技术属性】
技术研发人员:史彦涛李燕茜
申请(专利权)人:东莞理工学院北京赛知科技有限公司
类型:发明
国别省市:广东,44

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