CN104370302B - 一种铜锌锡硫纳米晶的纳米浇注合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜锌锡硫纳米晶的纳米浇注合成方法，包括以下步骤：(1)配制前驱液：将铜源、锌源、锡源和硫源共同溶解到甲醇或者乙醇中，搅拌直至溶液澄清透明；(2)将介孔二氧化硅SBA-15作为模板与前驱液混合搅拌，直至溶剂挥发干；(3)将步骤(2)得到的样品置于氮气或者氩气中煅烧；(4)将步骤(3)得到的样品进行去模板处理，然后用去离子水和乙醇进行多次离心清洗，并且60℃干燥，得到的产物就是铜锌锡硫纳米晶。本发明制备铜锌锡硫纳米晶的方法简单易行、绿色环保，且成本较低，适合大规模生产；所得到的铜锌锡硫纳米晶尺寸小，结晶性好。

Description

一种铜锌锡硫纳米晶的纳米浇注合成方法
技术领域
本发明涉及一种纳米材料合成方法，尤其涉及一种铜锌锡硫纳米晶的纳米浇注合成方法。
背景技术
铜锌锡硫(缩写作CZTS)作为一种高效、低成本的太阳能吸收材料引起了人们越来越多的关注。合成CZTS纳米晶普遍采用溶剂热法和热注法。而这两种方法通常都要用油胺作溶剂，硫醇或者硫粉作硫源，有时候需要用到三辛基氧膦、十八烯等长链有机试剂。按照这些普遍方法得到的CZTS形貌以颗粒和纳米棒为主，有机分子吸附在半导体表面对颗粒间的电导性产生不利影响。为了避免使用表面活性剂，用阳极氧化铝(AAO)作为模板来合成CZTS纳米线和纳米管。然而，上述方法得到的CZTS纳米结构的直径大约都是200nm，而且在去除AAO模板的时候CZTS纳米结构很容易被NaOH溶解掉。
到目前为止，CZTS纳米晶的合成都是在高温液相条件下完成，期望能有一种简单、低成本、绿色的合成方法来制备出小尺寸的CZTS纳米晶。目前，用介孔二氧化硅作为模板来制备小尺寸氧化物纳米晶已经被广泛应用。然而，相对于氧化物，用纳米浇铸法制备硫化物的报道更少，常见的有CdS、ZnS和In2S3、WS2和MoS2。尽管已经有了这些成果，但是至今用纳米浇注方法合成四元硫化物纳米棒和纳米线的相关报道还没有。用纳米浇注方法合成四元硫化物纳米棒和纳米线，主要面临两个挑战：(a)多种前驱物均匀填充到模板孔道里；(b)四元复合物的形核和结晶方面的控制，因为这个过程存在二元和三元硫化物的竞争。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种简单、低成本、绿色的合成方法来制备出小尺寸的CZTS纳米晶。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米浇注方法合成铜锌锡硫纳米晶。同时，为了得到不同形貌的铜锌锡硫纳米晶，本发明改变了前驱盐(铜源、锌源、锡源和硫源)在模板中的注入量，制备出纳米棒和纳米颗粒。
为实现上述目的，本发明提供了一种铜锌锡硫纳米晶的纳米浇注合成方法，包括以下步骤：
步骤一、配制前驱液：将铜源、锌源、锡源和硫源共同溶解到甲醇或者乙醇溶剂中，搅拌直至溶液澄清透明；
步骤二、将介孔二氧化硅作为模板与步骤一制得的前驱液混合搅拌，直至溶剂挥发干；
步骤三、将步骤二得到的样品置于保护气氛中煅烧；
步骤四、将步骤三得到的样品用氢氟酸溶液、氢氧化钠或者氢氧化钾溶液处理，然后用去离子水和乙醇进行多次离心清洗，再经过干燥处理，得到铜锌锡硫纳米晶。
进一步地，铜源为醋酸铜或者氯化铜或其组合，锌源为氯化锌或醋酸锌或其组合，锡源为氯化亚锡，硫源为硫脲。
进一步地，步骤一的铜源、锌源、锡源和硫源的摩尔比为0.5～2:1:0.5～1:4～20。
优选地，步骤二中，介孔二氧化硅为SBA-15。
进一步地，步骤二中混合时铜源、锌源、锡源和硫源的总质量与模板的质量比为0.01～10:0.3。
进一步地，在步骤三中，煅烧的温度为200～600℃，煅烧的时间为1～10小时。
进一步地，步骤三中，保护气氛包括氮气和氩气。
优选地，步骤四中，干燥的温度为60℃。
本发明涉及根据上述方法合成得到的铜锌锡硫纳米晶，其特征在于，铜锌锡硫纳米晶的形态为纳米棒或纳米颗粒或其组合。
进一步地，铜锌锡硫纳米晶的直径为4-20nm，长度为5-200nm
本发明的有益效果是：
(1)该制备方法简单、成本低、绿色；
(2)使用该方法所制得的铜锌锡硫纳米晶尺寸小，结晶性好；
(3)可广泛用于纳米材料的制备方面。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明实施例1的铜锌锡硫纳米晶的X射线衍射图；
图2为本发明实施例1的铜锌锡硫纳米晶的拉曼图谱；
图3为本发明实施例1的(a)铜锌锡硫纳米晶透射照片，右下角是选区电子衍射图；(b)铜锌锡硫纳米晶高分辨照片；
图4为铜锌锡硫纳米晶的氮气吸附-脱附曲线，左上角是孔径分布曲线；
图5为本发明实施例1的铜锌锡硫纳米晶的紫外-可见吸收光谱图，右上角是光子能和(αhν)2的关系曲线；
图6为本发明实施例1的铜锌锡硫纳米晶的光电子能谱图，其中(a)Cu2p，(b)Zn2p，(c)Sn3d，(d)S2p；
图7为本发明实施例1的铜锌锡硫纳米晶的傅里叶变换红外光谱图；
图8为本发明实施例1的SBA-15等量的条件下，注入不同总质量的前驱盐的TEM照片，其中(a)0.25g,(b)0.5g,(c)2.5g。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
(1)配制前驱液：室温下将醋酸铜、氯化锌、氯化亚锡和硫脲以摩尔比1.3:1:1:4.7共同溶解到甲醇或者乙醇中，搅拌直至溶液澄清透明；
(2)将0.3g介孔二氧化硅SBA15作为模板，分别与前驱液(前驱盐总质量为0.25g、0.5g、2.5g)混合搅拌，直至溶剂挥发干；
(3)将步骤(2)得到的样品置于氮气或者氩气中，在320℃下煅烧5小时，然后冷至室温；
(4)将步骤(3)得到的样品用氢氟酸溶液，或者氢氧化钠，或者氢氧化钾溶液处理，然后用去离子水和乙醇离心清洗四次，并且60℃干燥，得到铜锌锡硫纳米晶。
本发明通过纳米浇注方法制备出铜锌锡硫纳米晶，对合成参数进行合理选择，得到了尺寸小、结晶性好的铜锌锡硫纳米棒和纳米颗粒。
图1为实施例1制得的铜锌锡硫纳米晶的X射线衍射图谱。从图中可以看出：CZTS、ZnS、Cu2SnS3的峰都存在，因为它们具有相似的结构，所以对CZTS纯相的存在需要拉曼图谱进行进一步佐证。
图2为实施例1制得的铜锌锡硫纳米晶的拉曼图谱。从图中可以看出：只存在CZTS的特征峰，没有ZnS和Cu2SnS3的特征峰，说明存在纯相CZTS。
图3为：(a)铜锌锡硫纳米晶透射电镜照片，右下角是选区电子衍射图谱；(b)铜锌锡硫纳米颗粒高分辨照片。从图3中可以看出：CZTS纳米棒的直径小于模板孔道，相互之间疏松接触形成纳米线；高分辨图谱中显示出很清晰的间距为0.31nm的晶格条纹，对应(112)晶面；选区电子衍射环分别对应(112)，(220)，(312)晶面；表明CZTS纳米棒具有良好的结晶性。
图4为铜锌锡硫纳米晶的氮气吸附-脱附曲线，左上角是孔径分布曲线。从图4中可以看出：它是Ⅳ型等温线，具有H3型滞后回线。另外，毛细管凝聚范围(p/p0＝0.3-1)较宽，这是结构多孔性的特点。CZTS的孔径分布显示主要的孔径大小是6.8nm，比表面积是76.19m2g-1。
图5为铜锌锡硫纳米晶的紫外-可见吸收光谱图，右上角是光子能和(αhν)2的关系曲线。从图5中可以看出CZTS的带隙是1.60eV。虽然这个值偏离了大多数的实验结果(大约1.5eV)，但是仍然小于铜锌锡硫的理论带隙值，这是离子非计量比导致的晶体缺陷和晶体尺寸过小造成的。
图6为铜锌锡硫纳米晶的光电子能谱图，其中(a)Cu2p，(b)Zn2p，(c)Sn3d，(d)S2p。从图6中可以看出铜、锌、锡、硫分别对应+1价、+2价、+4价、-2价。
图7为铜锌锡硫纳米晶的傅里叶变换红外光谱图。从图7中可以看出：CZTS表面有金属-硫脲复合物。3442cm-1处的宽带对应水分子中的O-H震动或者硫脲的N-H拉伸震动。位于1106,1384,and1631cm-1处的主要的三个峰由金属硫脲复合物引起。
图8为SBA-15等量的条件下，注入不同总质量的前驱盐的透射电镜照片，其中(a)0.25g,(b)0.5g,(c)2.5g。从图8中可以看出：铜锌锡硫纳米晶的形貌会随着注入前驱盐的总质量的变化而变化。当注入少量前驱盐(0.25g)时，所得到的纳米晶大多数呈颗粒状，部分连接成疏松的纳米棒；当注入适量前驱盐(0.5g)时，得到较好的纳米棒；当注入过量前驱盐(2.5g)时，得到形貌和尺寸分布较广的纳米颗粒。
实施例2
(1)配制前驱液：室温下将醋酸铜、氯化锌、氯化亚锡和硫脲以摩尔比0.5:1:0.5:4共同溶解到甲醇或者乙醇中，搅拌直至溶液澄清透明；
(2)将0.3g介孔二氧化硅SBA15作为模板，分别与前驱液(前驱盐总质量为0.01g)混合搅拌，直至溶剂挥发干；
(3)将步骤(2)得到的样品置于氮气或者氩气中，在200℃下煅烧1小时，然后冷至室温；
(4)将步骤(3)得到的样品用氢氟酸溶液，或者氢氧化钠，或者氢氧化钾溶液处理，然后用去离子水和乙醇离心清洗四次，并且60℃干燥，得到铜锌锡硫纳米晶。
实施例3
(1)配制前驱液：室温下将醋酸铜、氯化锌、氯化亚锡和硫脲以摩尔比2:1:1:20共同溶解到甲醇或者乙醇中，搅拌直至溶液澄清透明；
(2)将0.3g介孔二氧化硅SBA15作为模板，分别与前驱液(前驱盐总质量为10g)混合搅拌，直至溶剂挥发干；
(3)将步骤(2)得到的样品置于氮气或者氩气中，在600℃下煅烧10小时，然后冷至室温；
(4)将步骤(3)得到的样品用氢氟酸溶液，或者氢氧化钠，或者氢氧化钾溶液处理，然后用去离子水和乙醇离心清洗四次，并且60℃干燥，得到铜锌锡硫纳米晶。
实施例4
(1)配制前驱液：室温下将氯化铜、氯化锌、氯化亚锡和硫脲以摩尔比1.3:1:1:4.7共同溶解到甲醇或者乙醇中，搅拌直至溶液澄清透明；
(2)将0.3g介孔二氧化硅SBA15作为模板，分别与前驱液(前驱盐总质量为0.25g、0.5g、2.5g)混合搅拌，直至溶剂挥发干；
(3)将步骤(2)得到的样品置于氮气或者氩气中，在320℃下煅烧5小时，然后冷至室温；
(4)将步骤(3)得到的样品用氢氟酸溶液，或者氢氧化钠，或者氢氧化钾溶液处理，然后用去离子水和乙醇离心清洗四次，并且60℃干燥，得到铜锌锡硫纳米晶。
实施例5
(1)配制前驱液：室温下将氯化铜、醋酸锌、氯化亚锡和硫脲以摩尔比1.3:1:1:4.7共同溶解到甲醇或者乙醇中，搅拌直至溶液澄清透明；
(2)将0.3g介孔二氧化硅SBA15作为模板，分别与前驱液(前驱盐总质量为0.25g、0.5g、2.5g)混合搅拌，直至溶剂挥发干；
(3)将步骤(2)得到的样品置于氮气或者氩气中，在320℃下煅烧5小时，然后冷至室温；
(4)将步骤(3)得到的样品用氢氟酸溶液，或者氢氧化钠，或者氢氧化钾溶液处理，然后用去离子水和乙醇离心清洗四次，并且60℃干燥，得到铜锌锡硫纳米晶。
实施例6
(1)配制前驱液：室温下将醋酸铜、醋酸锌、氯化亚锡和硫脲以摩尔比1.3:1:1:4.7共同溶解到甲醇或者乙醇中，搅拌直至溶液澄清透明；
(2)将0.3g介孔二氧化硅SBA15作为模板，分别与前驱液(前驱盐总质量为0.25g、0.5g、2.5g)混合搅拌，直至溶剂挥发干；
(3)将步骤(2)得到的样品置于氮气或者氩气中，在320℃下煅烧5小时，然后冷至室温；
(4)将步骤(3)得到的样品用氢氟酸溶液，或者氢氧化钠，或者氢氧化钾溶液处理，然后用去离子水和乙醇离心清洗四次，并且60℃干燥，得到铜锌锡硫纳米晶。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种铜锌锡硫纳米晶的纳米浇注合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、配制前驱液：将铜源、锌源、锡源和硫源共同溶解到甲醇或者乙醇溶剂中，搅拌直至溶液澄清透明；所述铜源为醋酸铜或者氯化铜或其组合，所述锌源为氯化锌或醋酸锌或其组合，所述锡源为氯化亚锡，所述硫源为硫脲；所述铜源、锌源、锡源和硫源的摩尔比为0.5～2:1:0.5～1:4～20；
步骤二、将介孔二氧化硅作为模板与步骤一制得的所述前驱液混合搅拌，直至溶剂挥发干；所述铜源、锌源、锡源和硫源的总质量与所述模板的质量比为0.01～10:0.3；
步骤三、将步骤二得到的样品置于保护气氛中煅烧；
步骤四、将步骤三得到的样品用氢氟酸溶液、氢氧化钠或者氢氧化钾溶液处理，然后用去离子水和乙醇进行多次离心清洗，再经过干燥处理，得到铜锌锡硫纳米晶。
2.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，步骤二中，所述介孔二氧化硅为SBA-15。
3.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，步骤三中，所述煅烧的温度为200～600℃，所述煅烧的时间为1～10小时。
4.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，步骤三中，所述保护气氛包括氮气和氩气。
5.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于，步骤四中，所述干燥的温度为60℃。
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