专利名称：基于植物类囊体结构的纳米吸光材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种纳米吸光材料技术领域的制备方法，具体是一种基于植物类 囊体结构的纳米吸光材料的制备方法。
背景技术：
自然万物为适应生态环境而进化，形成具有各种结构的生物种类。其中在植物叶 片中大量存在的叶绿体，是有机物转化为无机物的优良场所。叶绿体中的叶绿素a和b吸 收太阳光并通过光合作用将光能转化为化学能。叶绿体的光吸收和能量转换性能在精细层 状结构中进行，被称作类囊体，它是由数个类囊体基粒堆垛而成的层状结构。类囊体为光合 作用提供了场所。它的结构使之在具有高的比表面积，增加了光吸收区域，因此可以提高光 吸收效率。叶绿体的这种特征结构启发我们制备具有类似生物体结构的半导体无机物，以 提高材料的吸光性能。二氧化钛是一种重要的无机半导体功能材料，由于它拥有独特的催化、电学、光学 以及光化学等方面的性能而引起人们广泛的关注，它被应用于光催化、化学传感器以及太 阳能电池等领域。作为传统硅基太阳能电池的最有前景的替代物，高性能染料敏化太阳能电池制备 方法在深入研究中。提高二氧化钛阳极材料的光吸收性能对染料敏化太阳能电池至关重 要。目前很多研究集中在优化二氧化钛的结构、晶粒尺寸、结晶度、掺杂、比表面积、表面修 饰等工艺以提高其光吸收。研究表明，具有纳米尺度精细结构的锐钛矿型二氧化钛，可对光 吸收产生重要作用。由自然生物结构长期进化而形成的各种多层次、多维度、多功能结构特 点，对特殊形貌、结构材料的设计起到了直接的指导作用。以生物材料为模板，仿生构造具 有生物结构，又有特殊的光、电、磁等功能的新型材料引起了人们极大的兴趣。经过对现有技术的检索发现，1998年P以木块为模板，将钛酸正丁酯的溶液 渗透到木块的孔隙中，复制得到保持木块形貌的氧化钛材料(Biomorphic cellular silicon carbideceramics from wood 11. Mechanical properties,JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY，1998，18 =1975.具有木块多孔结构的碳化硅陶瓷的机械性能，欧洲陶瓷协会期刊)； 2004年Huang等人用溶胶凝胶的方法复制得到具有植物多级结构的Ti02材料(A facile route toa highly stabilized hierarchical hybrid of titania nanotube and gold nanoparticle. CHEMICAL COMMUNICATIONS, 2004 8:1008.高稳定性生物多级钛纳米管和金纳 米粒子复合的简便方法，化学通讯)。这些方法要求前躯体溶液具有好的流动性，以便渗透到 生物体的大孔、小孔和微孔中，所以配制的溶液浓度比较低，复制材料所需时间一般要几天。 相似的方法(渗透法、溶胶_凝胶法)不能应用于叶绿体的复制，这主要因为叶绿体的外膜阻 止了前躯体溶液的渗入，从而不能得到具有类囊体结构的复制物。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于植物类囊体结构的纳米吸光材料及其制备方法，制备具有植物类囊体的纳米层状结构的钛矿二氧化钛，由于具有大的 比表面积、特殊纳米层状结构以及高度结晶度，光吸收性能大大提高。本发明通过首次利用 类囊体的结构与二氧化钛复合实现了对二氧化钛光吸收性能的有效改善，此法制作简单， 周期短且易于重复。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤第一步，选用新鲜植物叶片研磨后与提取液混合提纯，得到叶绿体；第二步，配制前躯体溶液四氯化钛醇溶液；第三步，将叶绿体置于提取液中进行超声处理，制成纳米混合液；第四步，将纳米混合液离心后去除上层清液，将余下残留进行焙烧处理后，得到纳 米吸光材料。所述的提取液通过以下方式配置得到配置提取液，称60g山梨醇、6. 06g Tris、 lgMgCl2 6H20、0. 6g NaCl、0. 77g EDTA_Na2、0. 4g 异抗坏血酸钠，加入 1000ml 蒸馏水，搅拌 均勻后用HC1将pH调至7 8。所述的提纯，是指将研磨后的新鲜植物叶片以10 20g/L的比例倒入提取液中， 经手工二次研磨1 2min后过滤，将滤液装入预冷过的离心管离心2 4min后倾去上层 液，得到的沉淀即为叶绿体。所述的新鲜植物叶片是指置于0 4°C环境下预冷的菠菜叶片、油麦菜叶、梧桐 树叶片或香樟树叶片中的一种。所述的四氯化钛醇溶液，通过以下方式配制获得在冰水浴环境下将醇和四氯化 钛以体积比例为44 1 20 1混合后搅拌均勻。所述的超声处理，其超声频率为20 lOOKHz，超声功率为100 600W，超声时间 为1-3小时。所述的焙烧处理，其温度为350-800°C。本发明制备得到的高结晶度锐钛矿二氧化钛，具有高的比表面积、纳米层状结构 以及高的光吸收性能。与现有技术相比，本发明实施对象成本低廉、资源丰富，合成过程工艺简单、操作 方便、成本低；所构建的纳米材料表现出结构的独特性与复制物光学性质的耦合作用，实现 了材料光吸收性能的提高。
图1为本发明吸光材料示意图；其中图la为扫描电子显微照片，图lb为透射电子显微镜照片。图2为实施例1的紫外可见光近红外光谱光吸收曲线。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1
(1)将新鲜的菠菜叶片，洗净后去除中脉，放入0 4°C冰箱预冷。配置提取液， 称 60g 山梨醇、6. 06g TrisUg MgCl2 6H20、0. 6g NaCl、0. 77g EDTA_Na2、0. 4g 异抗坏血酸 钠，加入1000ml蒸馏水，搅拌到完全溶解。用HC1调pH至7 8之间。取冷却的菠菜叶片 10 20g，撕碎后放入研钵，倒入提取液，手工研磨1 2min，研磨后过滤。将滤液装入预冷 过的离心管离心2 4min。倾去上层液，沉淀即为叶绿体。(2)配制前躯体溶液四氯化钛醇溶液，其配制具体为在冰水浴的条件下，将无水 乙醇和四氯化钛混合，其体积比例为44 4，磁力搅拌10分钟。(3)将第一步提取的叶绿体放在第二步制备好的提取液中进行超声处理。超声频 率为20KHz，超声功率为600W，时间为2小时。(4)超声结束后，取出样品，离心。倾去上层液，沉淀即为四氯化钛的醇溶液浸入叶 绿体的粘稠体系。350°C焙烧，去掉生物模板，就得到具有植物类囊体结构的高吸光纳米材 料。通过XRD测试分析，制备得到的二氧化钛由锐钛矿晶型组成，晶粒尺寸12. 9nm,小角度 X-射线分析表明，复制物具有周期性规整的介观结构。BET分析可知，二氧化钛的比表面积 达到64. ln^g—1，介孔大小集中在3. 5nm。具有类囊体结构二氧化钛纳米材料的结构表征如图la所示，为扫描电子显微镜结果，复制物沿同一取向生长；如图lb所示，为透 射电子显微镜结果，显示二氧化钛复制物具有纳米层状结构，层间距约在2 4nm间，说明 它保持了原始的类囊体层状结构。具有类囊体结构二氧化钛纳米材料的光学性能表征如图2所示，为紫外可见红外光谱吸收曲线结果显示，超声法复制的类囊体结构 二氧化钛纳米材料与商品用的二氧化钛和生物原始叶绿体相比，具有优良的光吸收性能。实施例2(1)将新鲜的油麦菜叶片，洗净后去除中脉，倒入提取液，研磨过滤后得到叶绿体。(2)配制前躯体溶液四氯化钛醇溶液，其配制具体为在冰水浴的条件下，将无水 乙醇和四氯化钛混合，其体积比例为44 1，磁力搅拌10分钟。(3)将第一步提取的叶绿体放在第二步制备好的提取液中进行超声处理。超声频 率为40KHz，超声功率为100W，时间为1小时。(4)超声结束后，取出样品，离心。倾去上层液，沉淀即为四氯化钛的醇溶液浸入叶 绿体的粘稠体系。500°C焙烧，去掉生物模板，就得到具有植物类囊体结构的二氧化钛。实施例3(1)将新鲜的梧桐树叶片，洗净后去除中脉，倒入提取液，研磨过滤后得到叶绿体。(2)配制前躯体溶液四氯化钛醇溶液，其配制具体为在冰水浴的条件下，将无水 乙醇和四氯化钛混合，其体积比例为44 10，磁力搅拌10分钟。(3)将第一步提取的叶绿体放在第二步制备好的提取液中进行超声处理。超声频 率为60KHz，超声功率为200W，时间为2小时。(4)超声结束后，取出样品，离心。倾去上层液，沉淀即为四氯化钛的醇溶液浸入叶 绿体的粘稠体系600°C焙烧，去掉生物模板，就得到具有植物类囊体结构的二氧化钛。实施例4(1)将新鲜的香樟树叶片，洗净后去除中脉，倒入提取液，研磨过滤后得到叶绿体。
(2)配制前躯体溶液四氯化钛醇溶液，其配制具体为在冰水浴的条件下，将无水 乙醇和四氯化钛混合，其体积比例为44 15，磁力搅拌10分钟。(3)将第一步提取的叶绿体放在第二步制备好的提取液中进行超声处理。超声频 率为80KHz，超声功率为400W，时间为2. 5小时。(4)超声结束后，取出样品，离心。倾去上层液，沉淀即为四氯化钛的醇溶液浸入叶 绿体的粘稠体系。700°C焙烧，去掉生物模板，就得到具有植物类囊体结构的二氧化钛。实施例5(1)将新鲜的菠菜叶片，洗净后去除中脉，倒入提取液，研磨过滤后得到叶绿体。(2)配制前躯体溶液四氯化钛醇溶液，其配制具体为在冰水浴的条件下，将无水 乙醇和四氯化钛混合，其体积比例为44 20，磁力搅拌10分钟。(3)将第一步提取的叶绿体放在第二步制备好的提取液中进行超声处理。超声频 率为lOOKHz，超声功率为600W，时间为3小时。(4)超声结束后，取出样品，离心。倾去上层液，沉淀即为四氯化钛的醇溶液浸入叶 绿体的粘稠体系。800°C焙烧，去掉生物模板，就得到具有植物类囊体结构的二氧化钛。(5)染料敏化太阳能电池光阳极的制备和电池组装由于此法制备得到的二氧化钛复制物光吸收性能优越，可用于作染料敏化太阳能 电池的光阳极材料，具体做法如下以FT0导电玻璃做电池基体，用旋转喷涂法喷制一层制二氧化钛复制物膜。放入 N719染料的乙醇溶液中，避光常温放置24小时，做光阳极。另取一块FT0玻璃，用2B铅笔 在导电面刮涂作光阴极。两极用双面胶封装，中间填充电解液。两极接导线，可测试染料敏 化太阳能电池在某一光源下的电流电压曲线。
权利要求
一种基于植物类囊体结构的纳米吸光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，选用新鲜植物叶片研磨后与提取液混合提纯，得到叶绿体；第二步，配制前躯体溶液四氯化钛醇溶液；第三步，将叶绿体置于提取液中进行超声处理，制成纳米混合液；第四步，将纳米混合液离心后去除上层清液，将余下残留进行焙烧处理后，得到纳米吸光材料。
2.根据权利要求1所述的基于植物类囊体结构的纳米吸光材料的制备方法，其特 征是，所述的提取液通过以下方式配置得到配置提取液，称60g山梨醇、`6.06g TrisUg MgCl2 6H20、0. 6g NaCl、0. 77g EDTA_Na2、0. 4g 异抗坏血酸钠，加入 1000ml 蒸馏水，搅拌均 勻后用HC1将pH调至7 8。
3.根据权利要求1所述的基于植物类囊体结构的纳米吸光材料的制备方法，其特征 是，所述的提纯，是指将研磨后的新鲜植物叶片以10 20g/L的比例倒入提取液中，经手 工二次研磨1 2min后过滤，将滤液装入预冷过的离心管离心2 4min后倾去上层液，得 到的沉淀即为叶绿体。
4.根据权利要求1所述的基于植物类囊体结构的纳米吸光材料的制备方法，其特征 是，所述的新鲜植物叶片是指置于0 4°C环境下预冷的菠菜叶片、油麦菜叶、梧桐树叶片 或香樟树叶片中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于植物类囊体结构的纳米吸光材料的制备方法，其特征 是，所述的四氯化钛醇溶液，通过以下方式配制获得在冰水浴环境下将醇和四氯化钛以体 积比例为44 1 20 1混合后搅拌均勻。
6.根据权利要求1所述的基于植物类囊体结构的纳米吸光材料的制备方法，其特征 是，所述的超声处理，其超声频率为20 lOOKHz，超声功率为100 600W，超声时间为13 小时。
7.根据权利要求1所述的基于植物类囊体结构的纳米吸光材料的制备方法，其特征 是，所述的焙烧处理，其温度为350-800°C。
全文摘要
一种纳米半导体技术领域的基于植物类囊体结构的纳米吸光材料的制备方法，通过从新鲜植物叶片中提取叶绿体并与前躯体溶液四氯化钛醇溶液混合并焙烧后，得到纳米吸光材料。本发明实施对象成本低廉、资源丰富，合成过程工艺简单、操作方便、成本低；所构建的纳米材料表现出结构的独特性与复制物光学性质的耦合作用，实现了材料光吸收性能的提高。
文档编号H01L51/48GK101798111SQ20101013610
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者刘昕晔, 张荻, 朱申敏, 陈晨忻 申请人:上海交通大学