CN105502479A - 改进的Cu2SnS3的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Cu2SnS3的合成方法，包括如下步骤：第一步，将原材料按照化学计量比混合并研磨均匀；第二步，将研磨均匀的粉末真空封装在石英管中；第三步，将石英管放入箱式炉中加热反应得Cu2SnS3。该方法合成简单，总共的反应时间最长约为3天，比原来的工艺时间缩短了约4天，合成的Cu2SnS3与原条件产物一致，且产物纯度较高，方便用于实验室合成以及工业上大规模生产，具有显著的经济效益和重大的推广价值。
Description
技术领域
本发明属于热电材料的制备技术领域，具体涉及改进的Cu2SnS3的合成方法
背景技术
由于不可再生资源的枯竭和能源使用造成的生态环境恶化，人们迫切需要一种新的清洁能源。热电材料是将热能与电能相互转换的功能材料，相应的热电器件属于固态器件，具有无转动部件、无噪音、无污染、使用寿命长等优点，在热电冰箱、工业废热利用等方面具有重要应用价值。热电材料是通过固体中载流子运输实现热能和电能的转换，衡量其性能用热电品质因子ZT：ZT＝S2σT/(κe+κlat)，其中S为赛贝克系数，σ为电导率，κe为电子热导率，κlat为晶格热导率，T为绝对温度。实际的工业应用需要大规模低成本、环境友好且无毒的高性能热电材料。然而，当前最顶尖的热电材料通常由昂贵的、稀少或有毒的重金属元素(Pb、Te、Bi、Ge、Co、Sb等)组成。Cu、Sn、S三种元素在地壳中储量丰富、价格便宜、无毒且对环境友好，实验发现其三元化合物Cu2SnS3具有较好的热电性能，因此在大规模的商业化生产和应用方面潜力巨大。
Cu2SnS3化合物的合成方法很多，固相合成法、溶剂热法、喷雾热解法、电沉积法和连续离子层吸附反应法等。其中，固相合成法操作方便，合成工艺简单，粒径均匀且不会引进其他的杂质离子，同时产量大、成本低，非常适合大规模的生产。已有的固相合成法的具体条件为将Cu粉、Sn粉和S粉在1050℃的温度下保温48h，接着以5℃/h非常缓慢的速率降温至700℃，然后在此温度下继续保温48h。这种合成方法耗时久且能耗大，制约了实验进展。因此，急需改进Cu2SnS3的合成方法的反应时间，提高生产效率。
发明内容
本发明的目的在于为了改进现有技术的不足而提供一种改进的Cu2SnS3的合成方法，该方法改进了实验的合成温度机制，有效地提高了合成速度，且该方法合成Cu2SnS3操作简单。
为了实现上述发明目的，本发明得技术方案为：
一种Cu2SnS3的合成方法，其具体步骤如下：
1)、将原材料按照Cu2SnS3化学计量比研磨混合均匀；
2)、将研磨均匀的粉末真空封装在石英管中；
3)、将石英管放入箱式炉中加热反应得Cu2SnS3；其中加热反应过程为：炉内温度从室温按照3～10℃/min的速率升到870～1000℃，恒温8～15h；自然降温至680～750℃，恒温24～48h；再自然降温到室温，得Cu2SnS3。
优选上述的原材料为Cu粉、Sn粉、S粉三种粉末或者是Cu2S粉、SnS2粉两种粉末。优选原材料的质量纯度均大于99.5％。
优选粉末真空封装在石英管中的真空度为1～1.5*10-3Pa。
有益效果：
(1)本发明改进的Cu2SnS3的合成方法与原先合成方法最大的区别是在870～1000℃至680～750℃之间的降温阶段采用自然降温的方式，而原先的合成条件下降温速率控制在5℃/h，工艺所需时间比原先缩短了约4天；
(2)本发明所采用的方法简单易行，生产能耗低，生产效率高，适合实验室以及工业大规模生产。
附图说明
图1为实施例1合成的Cu2SnS3产物X射线衍射检测图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更好的理解本发明的目的，特征和优势。
实施例1：
以Cu粉、Sn粉和S粉为原料，按照化学计量比(Cu粉、Sn粉和S粉摩尔比为2：1：3，粉料纯度99.6％)称量混合，在玛瑙研钵中研磨均匀，将混合好的粉末放入直径为22mm，长度约为30cm的石英管中真空封装，真空度为10-3Pa，将石英管放入箱式炉，以5℃/min的速率升到920℃，恒温8h，之后自然降温至700℃，恒温48h，自然降温，得Cu2SnS3。产率达96％。
以下试验充分证明获得的产物为Cu2SnS3，将产物送到南京工业大学现代分析中心进行X射线衍射检测，结果如下：
为确认产物，将产物在ARLX’TRA型X射线衍射仪，以2.2KW铜靶进行分析，衍射条件为：测试范围在10～80°，采用扫描速度为10°/min连续扫描，结果如图1所示。结果显示样品为结晶性化合物，衍射峰的峰位、强度与标准卡片基本相同，且衍射图谱中并未发现有多余衍射峰的存在，说明制得的Cu2SnS3纯度较高，证实了成功制得Cu2SnS3。
实施例2：
以Cu粉、Sn粉和S粉为原料，按照化学计量比(Cu粉、Sn粉和S粉摩尔比为2：1：3，粉料纯度99.6％)称量混合，在玛瑙研钵中研磨均匀，将混合好的粉末放入直径为22mm，长度约为30cm的石英管中真空封装，真空度为1.2*10-3Pa，将石英管放入箱式炉，以3℃/min的速率升到870℃，恒温15h，之后自然降温至680℃，恒温48h，自然降温，得Cu2SnS3。经X射线衍射仪分析检测，所得样品为Cu2SnS3。产率达97％。
实施例3：
以Cu2S粉和SnS2粉为原料，按照化学计量比(Cu2S粉和SnS2粉摩尔比为1：1，粉料纯度99.7％)称量混合，在玛瑙研钵中研磨均匀，将混合好的粉末放入直径为22mm，长度约为30cm的石英管中真空封装，真空度为10-3Pa，将石英管放入箱式炉，以7℃/min的速率升到960℃，恒温12h，之后自然降温至750℃，恒温24h，自然降温，得Cu2SnS3。经X射线衍射仪分析检测，所得样品为Cu2SnS3。产率达96.5％。
实施例4：
以Cu2S粉和SnS2粉为原料，按照化学计量比(Cu2S粉和SnS2粉摩尔比为1：1，粉料纯度99.8％)称量混合，在玛瑙研钵中研磨均匀，将混合好的粉末放入直径为22mm，长度约为30cm的石英管中真空封装，真空度为1.5*10-3Pa，将石英管放入箱式炉，以10℃/min的速率升到1000℃，恒温8h，之后自然降温至750℃，恒温24h，自然降温，得Cu2SnS3。经X射线衍射仪分析检测，所得样品为Cu2SnS3。产率达97％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (4)
1.Cu2SnS3的合成方法，其具体步骤如下：
1)、将原材料按照Cu2SnS3化学计量比研磨混合均匀；
2)、将研磨均匀的粉末真空封装在石英管中；
3)、将石英管放入箱式炉中加热反应得Cu2SnS3；其中加热反应过程为：将炉内温度按照3～10℃/min的速率升到870～1000℃，恒温8～15h；然后自然降温至680～750℃，恒温24～48h；再自然降温，得Cu2SnS3。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于所述的原材料为Cu粉、Sn粉、S粉三种粉末或者是Cu2S粉、SnS2粉两种粉末。
3.根据权利要求书1所述的合成方法，其特征在于，所述原材料的质量纯度均大于99.5％。
4.根据权利要求书1所述的合成方法，其特征在于真空度为1～1.5*10-3Pa。
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