CN101544394B - 多孔状硫化铜纳微米空心球体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种多孔状硫化铜纳微米空心球体及其制备方法。本发明的多孔状硫化铜纳微米空心球体具有复数个穿孔,且为空心结构,能增加反应面积,尤其应用于太阳能电池中,可提高光电效应。

Description

多孔状硫化铜纳微米空心球体及其制备方法
技术领域
本发明是关于一种多孔状硫化铜纳微米空心球体及其制备方法,尤其是指一种适用于增加比表面积的多孔状硫化铜纳微米空心球体及其制备方法。
背景技术
硫化铜是一种具有前瞻性的光电材料,其于太阳能电池、电化学电池、红外光探测器、催化剂等方面具有相当广阔的应用前景。基于硫化铜材料的广泛应用,许多研究人员已对此展开深入的研究。室温条件下,硫化铜CuxS存在五种相态,x为1(铜蓝,covellite)、1.75(斜方蓝铜辉矿,anilite)、1.8(蓝辉铜矿,digenite)、1.95(久辉铜矿,djurleite)、2(辉铜矿,chalcosite)。此外,随着纳微米科技的发展与广泛应用,制备具有纳微米结构的硫化铜亦逐步引起研究人员的重视。
材料的微结构尺寸及形貌将影响材料的光学特性、电性及催化特性,因此,硫化铜微结构尺寸与形貌的调控技术俨然成为该领域研究人员的重要目标。就目前研究状况而言,制得的硫化铜微结构形貌多为实心球体、中空球体、薄膜状、长柱状或不规则状。虽然上述微结构形貌具有各自的优势之处,但其特性表现仍存有改善的空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔状硫化铜纳微米空心球体及其制备方法,以增加硫化铜材料的反应面积,提升其应用效能。尤其,应用于太阳能电池中,新颖的硫化铜纳微米结构可可提高光电效应,提升太阳能电池的发展潜力。
为达成上述目的,本发明提供的多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体,其直径为300nm-700nm,且具有复数个穿孔,其中x为1至2。
所述的多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体,其中,该些穿孔间的平均间距为5nm至30nm。
所述的多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体,其中,该些穿孔的平均孔径为80nm至130nm。
所述的多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体,其中,该些穿孔的截面为多边形。
所述的多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体,其中,该些穿孔的截面为五边形与六边形。
本发明提供的制备多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体的方法,包括:
混合一铜源溶液及一螯合剂,以获得一混合溶液;以及
依序加入一第一硫系还原剂及一第二硫系还原剂于该混合溶液中,并于60℃至100℃下反应5至600秒;
其中,x为1至2;且该第一硫系还原剂的还原力大于该第二硫系还原剂的还原力。
所述的制备方法,还包括:于反应结束后,进行过滤、清洗及干燥步骤。
所述的制备方法,其中,该铜源溶液为铜盐溶液或亚铜盐溶液。
所述的制备方法,其中,该螯合剂为双牙基螯合剂、三牙基螯合剂、四牙基螯合剂或六牙基螯合剂。
所述的制备方法,其中,该双牙基螯合剂为HOOC-(CR1R2)n-COOH或R3R4N-(CR1R2)n-NR3’R4’;R1、R2、R3、R3’、R4及R4’各自独立为氢或C1-6烷基;且n为1至6的整数。
所述的制备方法,其中,该双牙基螯合剂为乙基丙二酸、N,N-二甲基乙二胺、1,3-丙二胺或乙二胺。
所述的制备方法,其中,该三牙基螯合剂为NR3R4-(CR1R2)n-NR5R6-(CR1’R2’)m-NR3’R4’、R3N((CR1R2)nCOOH)2或R3N((CR1R2)nOH)2;R1、R1’、R2、R2’、R3、R3’、R4、R4’、R5及R6各自独立为氢或C1-6烷基;且m及n各自独立为1至6的整数。
所述的制备方法,其中,该三牙基螯合剂为二乙醇胺、二乙烯三胺或氨二乙酸。
所述的制备方法,其中,该四牙基螯合剂为N((CR1R2)nCOOH)3或N((CR1R2)nOH)3;R1及R2各自独立为氢或C1-6烷基;且n为1至6的整数。
所述的制备方法,其中,该四牙基螯合剂为三乙醇胺或氨三乙酸。
所述的制备方法,其中,该六牙基螯合剂为2(HOOC-(CR3R4)n)N-(CR1R2)m-N((CR3’R4’)rCOOH)2;R1、R2、R3、R3’、R4及R4’各自独立为氢或C1-6烷基;且m、n及r各自独立为1至6的整数。
所述的制备方法,其中,该六牙基螯合剂为乙二胺四乙酸或乙二胺四丙酸。
所述的制备方法,其中,该螯合剂为双牙基螯合剂。
所述的制备方法,其中,该螯合剂为R3R4N-(CR1R2)n-NR3’R4’;R1、R2、R3、R3’、R4及R4’各自独立为氢或C1-6烷基;且n为1至6的整数。
所述的制备方法,其中,该第一硫系还原剂为亚硫酸氢钠或硫化钠,而该第二硫系还原剂为硫化钠或硫代硫酸钠。
所述的制备方法,其中,该铜源溶液的浓度为0.05M至1.00M。
所述的制备方法,其中,该螯合剂的反应浓度为0.05M至1.00M。
所述的制备方法,其中,该第一硫系还原剂的反应浓度为0.05M至1.00M。
所述的制备方法,其中,该第二硫系还原剂的反应浓度为0.05M至1.00M。
所述的制备方法,其中,该多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体的直径为300nm-700nm,且具有复数个穿孔,而该些穿孔间的平均间距为5nm至30nm,且平均孔径为80nm至130nm。
换言之,本发明提供的多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体,其直径约为300nm-700nm,且具有复数个穿孔,其中x为1至2。据此,多孔状空心球体的结构可增加反应面积,应用于太阳能电池、半导体、催化剂等时,可提升其应用效能。例如,应用于太阳能电池中,多孔状空心球体的结构可提高光电效应。
由适当的反应条件控制,多孔状硫化铜纳微米空心球体的穿孔截面可略似多边形(如五边形、六边形),穿孔间的平均间距可约为5nm至30nm;而平均孔径可约为80nm至130nm。
此外,本发明亦提供上述多孔状硫化铜纳微米空心球体的制备方法,包括:混合一铜源溶液及一螯合剂,以获得一混合溶液;以及依序加入一第一硫系还原剂及一第二硫系还原剂于混合溶液中,并于60℃至100℃下反应5至600秒;其中,第一硫系还原剂的还原力大于第二硫系还原剂的还原力。由上述的制备流程,便可制得多孔状硫化铜纳微米空心球体。此外,为了将所制得的多孔状硫化铜纳微米空心球体由混合溶液中取出,上述制备方法还可包括一步骤:于反应结束后,进行过滤、清洗及干燥步骤。
于本发明的制备方法中,铜源溶液可为铜盐溶液或亚铜盐溶液,而螯合剂可为双牙基螯合剂、三牙基螯合剂、四牙基螯合剂或六牙基螯合剂。较佳为:双牙基螯合剂为HOOC-(CR1R2)n-COOH或R3R4N-(CR1R2)n-NR3’R4’;三牙基螯合剂为NR3R4-(CR1R2)n-NR5R6-(CR1’R2’)m-NR3’R4’、R3N((CR1R2)nCOOH)2或R3N((CR1R2)nOH)2;四牙基螯合剂为N((CR1R2)nCOOH)3或N((CR1R2)nOH)3;六牙基螯合剂为2(HOOC-(CR3R4)n)N-(CR1R2)m-N((CR3’R4’)rCOOH)2,其中,R1、R1’、R2、R2’、R3、R3’、R4、R4’、R5及R6各自独立为氢或C1-6烷基,且m、n及r各自独立为1至6的整数。举例来说,双牙基螯合剂可为乙基丙二酸、N,N-二甲基乙二胺、1,3-丙二胺或乙二胺;三牙基螯合剂可为二乙醇胺、二乙烯三胺或氨二乙酸;四牙基螯合剂可为三乙醇胺或氨三乙酸;六牙基螯合剂可为乙二胺四乙酸或乙二胺四丙酸。
于本发明的制备方法中,螯合剂较佳为双牙基螯合剂,更佳为R3R4N-(CR1R2)n-NR3’R4’,其中,R1、R2、R3、R3’、R4及R4’如上述定义。
于本发明的制备方法中,第一硫系还原剂较佳为亚硫酸氢钠或硫化钠,而第二硫系还原剂较佳为硫化钠或硫代硫酸钠。
于本发明的制备方法中,铜源溶液的浓度较佳为0.05M至1.00M;螯合剂的反应浓度较佳为0.05M至1.00M;第一硫系还原剂的反应浓度较佳为0.05M至1.00M;第二硫系还原剂的反应浓度较佳为0.05M至1.00M。
综上所述,本发明所提供的多孔状硫化铜纳微米空心球体可增加反应面积,应用于太阳能电池、半导体、催化剂等时,可提升其应用效能。尤其,应用于太阳能电池中,多孔状空心球体的结构可提高光电效应。此外,多孔状空心球体的结构亦可降低单位面积的重量,应用于产品中,能达到质轻设计的需求。
附图说明
图1是本发明所制得的单一多孔状硫化铜纳微米空心球体的扫描电子显微照片,标尺为500纳米。
图2是本发明所制得的多个多孔状硫化铜纳微米空心球体的扫描电子显微照片。
具体实施方式
实施例1
调配0.05M的硫酸铜(CuSO4.5H2O)溶液,并加热至65℃。接着,于相同温度下,将乙二胺加至硫酸铜溶液中搅拌,以形成一混合溶液。在此,乙二胺于混合溶液中的浓度为0.05M。随之,依序加入亚硫酸氢钠及硫化钠,并于65℃下,反应约5秒。在此,亚硫酸氢钠及硫化钠的反应浓度皆为0.05M。于反应结束后,进行过滤,并以去离子水清洗,最后干燥便可获得粉末状的产物。
实施例2
调配0.5M的硫酸铜(CuSO4.5H2O)溶液,并加热至75℃。接着,于相同温度下,将乙二胺加至硫酸铜溶液中搅拌,以形成一混合溶液。在此,乙二胺于混合溶液中的浓度为0.5M。随之,依序加入亚硫酸氢钠及硫代硫酸钠,并于75℃下,反应约3分钟。在此,亚硫酸氢钠及硫代硫酸钠的反应浓度皆为0.5M。于反应结束后,进行过滤,并以去离子水清洗,最后干燥便可获得粉末状的产物。
实施例3
调配1.0M的氯化亚铜(CuSO4.5H2O)溶液,并加热至95℃。接着,于相同温度下,将乙二胺加至氯化亚铜溶液中搅拌,以形成一混合溶液。在此,乙二胺于混合溶液中的浓度为1.0M。随之,依序加入硫化钠及硫代硫酸钠,并于95℃下,反应约10分钟。在此,硫化钠及硫代硫酸钠的反应浓度皆为1.0M。于反应结束后,进行过滤,并以去离子水清洗,最后干燥便可获得粉末状的产物。
本发明是以扫描式电子显微镜(SEM)测定上述工艺所制得的产物微观结构,其结果如图1及图2所示。由图1及图2可观察到,上述制备流程可制得多孔状硫化铜CuxS(x为1至2)纳微米空心球体,其直径约为300nm-700nm,且具有类似于多边形的穿孔截面,而穿孔间的平均间距约为5nm至30nm,且平均孔径约为80nm至130nm。
据此,本发明所提供的多孔状硫化铜纳微米空心球体可应用于太阳能电池、半导体、催化剂,能提升其应用效能。尤其,应用于太阳能电池中,多孔状空心球体的结构可提高光电效应。此外,多孔状空心球体的结构亦可降低单位面积的重量,应用于产品中,能达到质轻设计的需求。
上述实施例仅系为了方便说明而举例而已,本发明所主张的权利范围自应以申请的权利要求范围所述为准,而非仅限于上述实施例。

Claims (12)

1.一种多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体,其直径为300nm-700nm,且具有复数个穿孔,其中x为1至2,且该些穿孔间的平均间距为5nm至30nm,该些穿孔的平均孔径为80nm至130nm。
2.如权利要求1所述的多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体,其中,该些穿孔的截面为多边形。
3.如权利要求1所述的多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体,其中,该些穿孔的截面为五边形与六边形。
4.一种多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体的制备方法,包括:
混合一铜源溶液及一螯合剂,以获得一混合溶液,其中,该螯合剂为R3R4N-(CR1R2)n-NR3’R4’,R1、R2、R3、R3’、R4及R4’系各自独立为氢或C1-6烷基,且n为1至6的整数;以及
依序加入一第一硫系还原剂及一第二硫系还原剂于该混合溶液中,并于60℃至100℃下反应5至600秒;
其中,x为1至2;该第一硫系还原剂为亚硫酸氢钠或硫化钠,而该第二硫系还原剂为硫化钠或硫代硫酸钠,且该第一硫系还原剂的还原力大于该第二硫系还原剂的还原力。
5.如权利要求4所述的制备方法,包括:
于反应结束后,进行过滤、清洗及干燥步骤。
6.如权利要求4所述的制备方法,其中,该铜源溶液为铜盐溶液或亚铜盐溶液。
7.如权利要求4所述的制备方法,其中,该螯合剂为N,N-二甲基乙二胺、1,3-丙二胺或乙二胺。
8.如权利要求4所述的制备方法,其中,该铜源溶液的浓度为0.05M至1.00M。
9.如权利要求4所述的制备方法,其中,该螯合剂的反应浓度为0.05M至1.00M。
10.如权利要求4所述的制备方法,其中,该第一硫系还原剂的反应浓度为0.05M至1.00M。
11.如权利要求4所述的制备方法,其中,该第二硫系还原剂的反应浓度为0.05M至1.00M。
12.如权利要求4所述的制备方法,其中,该多孔状硫化铜CuxS纳微米空心球体的直径为300nm-700nm,且具有复数个穿孔,而该些穿孔间的平均间距为5nm至30nm,且平均孔径为80nm至130nm。
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