JP2018525304A - 金属カルコゲナイドナノ材料を調製するための水性ベースの方法 - Google Patents

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Abstract

金属カルコゲナイドナノ材料を生成する方法であって、カルコゲン前駆体、還元剤及び金属塩の水溶液を形成するステップと、約10℃〜約40℃の間のすべてを含む反応温度で、水溶液をある持続時間にて混合するステップと、生成した金属カルコゲナイドナノ材料を水溶液から分離するステップと、を含む方法が提供される。また、金属カルコゲナイドナノ粒子を金属カルコゲナイドナノチューブまたはナノシートに変換する方法であって、カルコゲン前駆体、還元剤および金属カルコゲナイドナノ粒子の水性混合物を水中に形成するステップと、水性混合物を攪拌して、または攪拌しないで、それぞれナノチューブまたはナノシートを形成するステップとを含む方法が提供される。

Description

本発明は、一般に、金属カルコゲナイドナノ材料に関し、より詳細には、金属カルコゲナイドナノ材料を合成または調製する方法またはプロセスに関する。さらに特定の例では、金属カルコゲナイドナノ材料は、ナノ粒子、ナノワイヤ、ナノチューブおよび/またはナノシートなどのナノ構造体として形成または提供される。このようなカルコゲナイドナノ材料は、例えば、熱および/または光の電気への変換に適用される。
エネルギー需要の増大、気候変動に対する懸念、および化石燃料資源の枯渇により、グリーンな熱電(TE)および太陽光発電(PV)の技術がかなり注目を集めてきている先進技術によって、エネルギーを効率的に使用するための協調した努力がなされている。その理由は、生産されたエネルギーの60%超が熱として無駄になっており(非特許文献1を参照)、そして、太陽エネルギーは豊富でかつ持続可能であるからである。
大量の廃熱を電気に直接変換することにより、エネルギーおよび環境問題が大幅に軽減される。しかしながら、現在のTE技術の主な欠点は、高性能TE材料が欠如しているために変換効率が低い(典型的には約5%)ことである。TE材料の性能は、次の式に従って無次元の性能パラメータ(parameter of merit)(ZT)によって特徴付けられる:
式中、S、σ、T、κはそれぞれゼーベック係数、電気伝導度、絶対温度、熱伝導率である。
式1は、高いZTを達成するための鍵は、熱伝導率を低下させながら、電気伝導度およびゼーベック係数を増加させることであることを明確に示している。しかしながら、これを達成することはバルク熱電材料にとっては非常に困難である。その理由は、これらのパラメータが相互依存性であり、したがって1つを変化させることは他のものを変更することになるからである(非特許文献2を参照)。
近年、ナノ技術の応用によって様々なTE材料のZTを改善することに著しい進展があった。ナノ効果に起因する熱電性能の改善は、主として、フォノン散乱および量子閉じ込め効果の増大に起因する熱伝導率の低下によるものである。1つの例はテルル化鉛(PbTe)であり、750K(477℃)で報告された最高のZTとしてこの数十年間の間に知られてきている値が1であるのに対して、化学的ドーピング(例えば、SrおよびNaを共ドープしたPbTe、Ag−およびSbを共ドープしたPbTe)によるナノ沈殿物の導入後では、ZTは915K(642℃)で2.2に改善されている(非特許文献3を参照)。硫化鉛(PbS)およびセレン化鉛(PbSe)のテルル化鉛(PbTe)類縁体もまた、ナノ沈殿物の導入後に1を越えるか、或いは2に近づくZTを示しており、例えば、PbS−Bi(またはSb、SrSおよびCaS)のナノコンポジットは923K(650℃)で1.3のZTを示す。
しかしながら、これらの鉛カルコゲナイドナノコンポジットは、急冷プロセスの後、真空下、高温での固相反応によって調製されていた。同様に、銅ベースおよび銀ベースのカルコゲナイドは、熱電において有望であり、高温での固相反応によって調製することができる。例えば、1050℃で調製されたセレン化第一銅(Cu2−xSe)は、バルクTE材料の中で1000K(727℃)で1.6の最高のZTを有する(非特許文献4を参照)。
固相反応から生成されるナノコンポジットに加えて、ナノ粒子およびナノワイヤなどの溶液処理された金属カルコゲナイドナノ構造体の熱電特性に関していくつかの報告がある。これらのナノ構造体は、不活性雰囲気の保護下での高温でのソルボサーマル手法によって、またはオートクレーブのような密封反応器内での水熱手法によって調製される。したがって、このようなナノコンポジットは、複雑な調整プロセスが必要で高コストを伴うので、実用には不向きである。
既知の例では、テルル化ビスマス(BiTe)は、商業化されている低温熱電発電器に使用されている。銅カルコゲナイドは、太陽電池、リチウム(またはナトリウム)イオン電池、光学フィルタ、窓材料などにも使用されている。鉛カルコゲナイド(例えばPbTe)は、20年以上にわたり、熱電用途について研究がなされている。
ナノスケールの効果は固有の特性に影響を及ぼすのみならず、いくつかの独特な特性を誘発することができるので、特定のナノ構造体の導入または使用は、性能を向上させ、用途を広げるための重要な戦略である。一例は、局所的な強いプラズモン吸収または近赤外線窓におけるフォトルミネッセンスを示すナノスケールの第一銅カルコゲナイド(cuprous chalcogenides)であり、光音響イメージング、光線療法および近赤外線ラベリングおよびイメージングに使用することができる。さらに、Cuイオンの迅速な動きから生じるそれらの超イオン特性は、熱伝導率を著しく低下させる可能性がある。Cuイオンの独特な液体様の挙動と優れた電気伝導度は、バルク非化学量論的セレン化第一銅(Cu2−xSe)で証明されている、第一銅カルコゲナイドの優れた熱電性能(1000K(727℃)にて1.6の性能指数(ZT)である)をもたらす(非特許文献4を参照)。多結晶Cu1.8Sもまた673K(400℃)で0.5のZTを示し、それは、他のp型硫化物熱電材料よりも高いものである。
ナノスケールの鉛カルコゲナイドはまた、その熱電性能において顕著な改善を示している。例えば、テルル化鉛(PbTe)のZTは、化学的ドーピング(例えば、SrおよびNaを共ドープしたPbTe、AgおよびSbを共ドープしたPbTe)を介してナノ沈殿物を導入した後では、915K(642℃)で2.2に達することができる。PbSおよびPbSeはまた、ナノ沈殿物の導入後に1を越えるか、或いは2に近づくZTを示しており、例えば、PbS−Bi(またはSb、SrSおよびCaS)のナノコンポジットは923K(650℃)で1.3のZTを示す。それらの熱電性能の改善におけるナノスケール効果は、主にフォノン散乱の増加に起因する熱伝導率の低下によるものである。
いくつかのナノスケール金属カルコゲナイドは、熱伝導率の著しい低下および量子閉じ込め効果のためにバルク類似体よりも優れた熱電性能を示す。様々な方法(例えば、ボールミル、ソノケミストリー、ソルボサーマル法、水熱法、電着法など)によって、サイズ、形態(morphology)、組成が調整可能な金属カルコゲナイドナノ材料を調製することができ、これらの方法のうちで、湿式化学手法が形態および粒子サイズを制御する上でより魅力的である。
例えば、Methaおよびその共同研究者は、マイクロ波手法を使用して、300K(27℃)にて、1を超えるZTを有するドープされたBiTeナノプレートおよびドープされていないBiTeナノプレートを調製した(非特許文献5を参照)。Choiらは、Se−およびCu−前駆体として1,3−ジメチルイミダゾリン−2−セレノンおよび酢酸銅水和物を使用してオレヤミン(oleyamine)中で単分散CuSeのナノディスクを調製した(非特許文献6を参照)。Rihaらは、リガンドおよび溶媒としてトリオクチルホスフィン(TOP)およびトリオクチルホスフィンオキシド(TOPO)を使用してCu2−XSeナノ粒子を調製する別のルートを開発した(非特許文献7を参照)。Ibanezらは、高温での有機溶媒中にてコア−シェルのPbTe@PbSナノ結晶を調製し、710K(437℃)にて1.1のZTを得た(非特許文献8を参照)。
金属カルコゲナイドナノ材料の別の潜在的な用途は、光のエネルギーを電気に直接変換することができる太陽電池にある。例えば、ナノ構造の鉛カルコゲナイドを用いて、高い変換効率を達成するために量子ドット増感太陽電池(QDSSC)を製造することができる(非特許文献9および10を参照)。銅カルコゲナイドは、ポリスルフィド電解質がポリスルフィドの還元のためのそれらの超触媒活性により向上した電気化学的性能を伴って使用されるQDSSCの優れた対電極として機能することができる(非特許文献11および12を参照)。それらは、硫黄含有(S2−またはチオール)化合物によって不動態化され得る従来の貴金属対電極(PtまたはAu)と比較して、ポリスルフィドの酸化還元反応に対してより低い抵抗およびより高い電気触媒活性を示す。
上記の公知の方法は均一なナノ粒子を生成することができるが、複雑なプロセス、低収率、高コスト、高温および/または有機溶媒の使用を含む要因は、それらの商業的用途を制限する。熱電変換のようないくつかの用途では、より良好な伝導性のためのナノ構造間の接触を改善するために、表面リガンドを除去しなければならない。したがって、カルコゲナイドナノ材料を、好ましくは比較的大規模に合成するためのコスト効率の良い方法を開発することは非常に重要である。特定の所望のナノ構造体を有するカルコゲナイドナノ材料を合成するためのコスト効率の良い方法を開発することも非常に重要である。
A.J.SimonおよびR.D.Belles、ローレンスリバモア国立研究所(Lawrence Livermore National Labs)、LLNL−MI−410527(2011年) Z.Li、Q.Sun、X.D.Yao、Z.H.ZhuおよびG.Q.Lu、J.Mater.Chem.、2012年、第22巻、22821−22831頁 K.Biswas、J.He、I.D.Blum、C.−I.Wu、T.P.Hogan、D.N.Seidman、V.P.DravidおよびM.G.Kanatzidis、Nature、2012年、第489巻、414−418頁 H.Liu、X.Shi、F.Xu、l.Zhang、W.Zhang、L.Chen、Q.Li、C.Uher、T.DayおよびG.J.Snyder、Nat.Mater.、2012年、第11巻、422−425頁 R.J.Mehta、Y.L.Zhang、C.Karthik、B.Singh、R.W.Siegel、T.Borca−TasciucおよびG.Ramanath、Nat.Mater.、2012年、第11巻、233−240頁 J.Choi、N.Kang、H.Y.Yang、H.J.KimおよびS.U.Son、Chem.Mater.、2010年、第22巻、3586−3588頁 S.C.Riha、D.C.JohnsonおよびA.L.Prieto、J.Am.Chem.Soc.、2011年、第133巻、1383−1390頁 M.Ibanez、R.Zamani、S.Gorsse、J.D.Fan、S.Ortega、D.Cadavid、J.R.Morante、J.ArbiolおよびA.Cabot、ACS Nano、2013年、第7巻、2573−2586頁 Z.Ning他、Nat.Mater.、2014年、第13巻、822頁 C.H.Chuang、P.R.Brown、V.Bulovic、M.G.Bawendi、Nat.Mater.、2014年、第13巻、796頁 Z.S.Yang他、Adv.Energy Mater.、2011年、第1巻、259頁 Y.Jiang他、Nano.Lett.、2014年、第14巻、365頁
新規なまたは改善された金属カルコゲナイドナノ材料、および/または金属カルコゲナイドナノ材料を合成または調製する新規なまたは改善された方法またはプロセスが必要である。
本明細書中の任意の先行する刊行物(または先行する刊行物から得られた情報)、または既知である事項への言及は、先行する刊行物(または先行する刊行物から得られた情報)または既知の事項が本明細書が関係する試みの分野における共通の一般的知識の一部を形成することの承認、了承または提案の任意の形態としてみなされるものではなく、みなされるべきではない。
この概要は、以下の好ましい実施形態でさらに説明される概念の選択を簡略化した形で導入するために提供される。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されることも意図していない。
1つの態様では、金属カルコゲナイドナノ材料、好ましくは2成分および3成分金属カルコゲナイドナノ材料が提供される。非限定的な例において、金属カルコゲナイドナノ材料は、ビスマス、銅、鉛、銀、インジウム、スズおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ材料である。別の態様では、金属カルコゲナイドナノ材料、例えばビスマス、銅、鉛、銀、インジウム、スズおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ材料を合成または調製する方法またはプロセスが提供される。別の例示的な態様では、例えばエネルギー変換用途のために、金属カルコゲナイドナノ材料の大規模な調製に適した方法が提供される。
別の例示的な態様に従って、好ましくは水性経路により金属カルコゲナイドナノ材料を調製するための液体ベースの化学的方法が提供され、好ましくは界面活性剤も使用しない。すなわち、反応を受ける混合物、懸濁液または溶液は、液体混合物、懸濁液または溶液であり、最も好ましくは水性ベースである。さらに特定の例では、金属カルコゲナイドナノ材料は、例えばナノ粒子、ナノワイヤ、ナノチューブおよび/またはナノシートのようなナノ構造体として形成または提供される。
別の態様では、金属カルコゲナイドナノ材料を生成する方法が提供され、同方法は、カルコゲン前駆体、還元剤および金属塩の水溶液を形成するステップと、水溶液をある反応温度である持続時間の間混合するステップと、生成した金属カルコゲナイドナノ材料を水溶液から分離するステップと、を含む。好ましい例では、金属カルコゲナイドナノ材料は、界面活性剤を使用せずに生成される。
好ましい例によれば、反応温度は、約10℃〜約40℃の間(すべて含む(inclusively))である。別の例では、反応温度は、約10℃〜約30℃の間(すべて含む)である。別の例では、反応温度は、約20℃〜約30℃の間(すべて含む)である。好ましくは、反応温度はほぼ室温(すなわち、約20℃〜約26℃)である。外部加熱は使用しないことが好ましい。
別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料はMの式を有し、式中、MはBi、Cu、Pb、Ag、In、SnまたはSbであり;MがCuの場合、EはO、S、SeまたはTeであり、MがBi、Pb、Ag、In、SnまたはSbの場合、EはS、SeまたはTeであり、1≦x≦2かつ1≦y≦3である。
別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料はMの式を有し、式中、MはBi、CuまたはPbであり;MがCuである場合EはO、S、SeまたはTeであり、MがBiまたはPbである場合EはS、SeまたはTeであり、1≦x≦2かつ1≦y≦3である。
最も好ましくは、金属塩は水溶性である。別の例では、金属塩はビスマス塩、銅塩、鉛塩、銀塩、インジウム塩、スズ塩およびアンチモン塩の群から選択され、生成された金属カルコゲナイドナノ材料はビスマス、銅、鉛、銀、インジウム、スズおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ粒子である。別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料はビスマスカルコゲナイドナノ粒子であり、金属塩は水溶性ビスマス塩である。任意選択にて、ビスマス塩は、塩化ビスマスおよび/または硝酸ビスマスである。別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料は銅カルコゲナイドナノ粒子であり、金属塩は水溶性銅塩である。任意選択にて、銅塩は、塩化銅、硝酸銅および/または硫酸銅である。別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料は鉛カルコゲナイドナノ粒子であり、金属塩は水溶性鉛塩である。任意選択にて、鉛塩は硝酸鉛である。
好ましくは、カルコゲン前駆体は水溶性である。さらなる例では、カルコゲン前駆体は、カルコゲン粉末、カルコゲン溶液、カルコゲンベースの粉末またはカルコゲンベースの溶液である。他の例では、カルコゲン前駆体は硫黄、セレンまたはテルルである。他の例では、カルコゲン前駆体は、硫化ナトリウム(NaS・9HO)、硫化アンモニウム((NHS)、亜セレン酸ナトリウム(NaSeO)、亜テルル酸ナトリウム(NaTeO)、酸化セレン(SeO)および酸化テルル(TeO)からなる群より選択される。
別の例では、還元剤は水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)である。他の例では、還元剤はLiBHおよび/またはKBHである。別の例では、カルコゲン前駆体に対する還元剤の比は、約1:1〜約100:1の間である。好ましくは、持続時間は、約1分から約24時間までの間(すべて含む)である。より好ましくは、持続時間は、約1分から約12時間までの間(すべて含む)である。さらにより好ましくは、持続時間は、約1分から約6時間までの間(すべて含む)である。別の例では、生成した金属カルコゲナイドナノ材料は遠心分離によって分離される。
別の態様では、金属カルコゲナイドナノ粒子を金属カルコゲナイドナノチューブまたは金属カルコゲナイドナノシートに変換する方法が提供され、同方法は、カルコゲン前駆体、還元剤および金属カルコゲナイドナノ粒子の水性混合物を水中に形成するステップと、前記水性混合物を攪拌して金属カルコゲナイドナノチューブを形成するステップまたは水性混合物を撹拌せずに金属カルコゲナイドナノシートを形成するステップと、を含む。
様々な例において、変換方法は、約10℃〜約40℃の間(すべて含む)、または約10℃〜約30℃の間(すべて含む)、または約20℃〜約30℃の間(すべて含む)の反応温度で行われる。最も好ましくは、同方法は、ほぼ室温(すなわち、約20℃〜約26℃)である反応温度で行われる。外部加熱は使用しないことが好ましい。
別の例では、金属カルコゲナイドナノチューブまたはナノシートを遠心分離によって分離する。別の例では、ナノ粒子は、大部分が約1時間未満以内にナノチューブまたはナノシートに形成される。好ましくは、ナノ粒子は、大部分が約30分未満以内にナノチューブまたはナノシートに形成される。別の例では、ナノ粒子は、大部分が約20分未満以内にナノチューブまたはナノシートに形成される。
別の例では、ナノシートまたはナノチューブに変換する方法で使用される金属カルコゲナイドナノ粒子は、金属カルコゲナイドナノ材料を生成する前述の方法に従って生成される。別の例では、形成されたナノチューブの直径は、金属カルコゲナイドナノ粒子のサイズを選択することによって調整される。別の例では、形成されたナノシートのサイズは、攪拌を行わずに反応時間を選択することによって調整される。別の例では、攪拌は、磁気攪拌または機械的撹拌を用いる。
例示的な実施形態は、添付の図面に関連して記載される、少なくとも1つの好ましいが非限定的な実施形態の例としてのみ与えられる以下の説明から明らかである。
水中にてセレン粉末および塩化銅からセレン化第一銅ナノ粒子を調製することにより実証された、金属カルコゲナイドナノ材料の合成の例示的な方法を示す。 合成されたままのナノ粒子をナノチューブおよび/またはナノシートに変換する例示的な方法を示し、セレン化第一銅ナノ粒子をテルル化第一銅のナノチューブおよび/またはナノシートに変換することによって実証されている。 図3a−3cは、図1に例示された例示的な方法に従って合成された異なるサイズのセレン化第一銅ナノ粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を示し、ナノ粒子サイズを調整する方法の能力を示す。図3dは異なるサイズの実施例のナノ粒子のX線回折(XRD)パターンを示し、粒子サイズの増加に伴うわずかな赤色シフトを示す。 図4a−cはSEM画像を示し、図4dはCuO、CuSおよびCuTeナノ粒子の例のXRDパターンを示す。 図5a−cは生成された一様な硫化ビスマス、セレン化ビスマスおよびテルル化ビスマスナノ粒子のSEM画像を示し、図5d−fは生成された硫化鉛、セレン化鉛およびテルル化鉛ナノ粒子のSEM画像を示す。 得られた例示的な銀、スズおよびアンチモンのカルコゲナイドナノ粒子のSEM画像を示す。 図7a−cはSEM画像を示し、図7dは図2に示される例示的な方法に従ってCuSeナノ粒子から変換された例示的なCuTeナノシートおよびナノチューブのXRDパターンを示す。 図8a−fは異なるサイズのCuSeナノ粒子から作製された例示的なサイズ調整可能なCuTeナノチューブのSEM画像を示し、ナノ粒子のサイズに対するナノチューブのサイズ依存性を実証している。 図9a−dは、混合/攪拌を行わずに異なる反応時間から作製された例示的なCuTeナノシートのSEM画像を示し、ナノチューブの形成における反応時間の影響および混合/攪拌の重要性を示している。 図10a−dは、3成分の例示的なCuAgSeナノ粒子のXRDパターン、SEM、TEMおよび高分解能TEM画像を示す。 図11a−dは、放電プラズマ焼結技術によるCuAgSeナノ粒子から焼結された例示的なペレットの電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導率およびZTの温度依存性を示し、新規な温度依存性金属−n−p導電性転移を実証している。 CuTeナノ粒子(NP)、ナノチューブ(NT)およびナノシート(NS)、およびAuから製造された例示的な対電極を用いて組み立てられた量子ドット増感太陽電池(QDSSC)の性能を示し、形態依存性の性能およびそれらの貴金属Au電極より優れた性能を実証している。 金属カルコゲナイドナノ材料を生成する例示的な方法を示す。 金属カルコゲナイドナノ粒子のナノチューブおよび/またはナノシートへの変換のための例示的な方法を示す。
好ましい1つのまたは複数の実施形態の主題のより正確な理解を提供するために、単なる例示として示す以下の形態を説明する。例示的な実施形態の特徴を示すために組み込まれた図面において、図面全体を通して同様の参照番号が同様の部分を識別するために使用される。
本明細書に記載される例示的な実施形態は、界面活性剤を含まない金属カルコゲナイドナノ構造体、特に、限定されるものではないが、ビスマス、銅、鉛、銀、スズ、インジウムおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ粒子、ナノワイヤ、ナノチューブおよび/またはナノシートを、室温(すなわち、約20℃〜約26℃)にて水溶液中で合成する一般的な方法、即ち、反応に外部からの熱を必ずしも適用する必要のない方法を提供する。金属カルコゲナイドナノ材料のサイズ、形態および/または組成は、還元剤とカルコゲン前駆体との比、カチオンおよびアニオン前駆体の比、還元時間および/または攪拌時間などを制御することによって調整することができる。カチオン前駆体は、例えば、硝酸ビスマス、塩化ビスマス、塩化銅、硝酸銅、硫酸銅、硝酸鉛、塩化インジウムおよび/または塩化アンチモンのような水溶性の、好ましくは空気安定性の金属塩である。アニオン性前駆体は、例えば、水に溶解することができる、または還元剤によって水溶液中で還元することができる、硫化ナトリウム、硫化アンモニウム、硫黄、セレン、テルル、亜セレン酸ナトリウム、亜テルル酸ナトリウム、酸化セレンおよび/または酸化テルルである。得られたナノ構造体は、広い温度範囲にわたって熱を電気に変換する大きな可能性を有し、例えば、セレン化ビスマスまたはテルル化ビスマスナノ材料は、低温熱変換に使用することができ、セレン化鉛およびテルル化鉛は、中温範囲で使用することができ、セレン化第一銅は、高温範囲で使用することができる。
一実施形態では、非限定的な例として、ビスマス、銅、鉛、銀、スズ、インジウム、および/またはアンチモンカルコゲナイドナノ材料を室温で調製するための、環境に優しく比較的低コストの方法が提供され、それは大規模に行うことができる。好ましい方法は、界面活性剤を使用しない水性経路を提供し、得られるナノ材料は、サイズ、形態および/または結晶性について調整可能である。得られるナノ材料は、熱を電気に変換するために適用することができる。
一例では、例えば低いpHで、水に十分に溶解することができる塩化ビスマスおよび/または硝酸ビスマスを含む空気安定性かつ水溶性のビスマス塩からビスマスカルコゲナイドナノ材料を合成する方法が提供される。別の例では、塩化銅、硝酸銅および/または硫酸銅を含む空気安定性かつ水溶性の銅塩から銅カルコゲナイドナノ材料を合成する方法が提供される。これらの銅塩は、中性条件下で水によく溶解することができる。別の例では、空気安定性かつ水溶性の硝酸鉛を前駆体として使用して鉛カルコゲナイドナノ材料を合成する方法が提供される。別の例では、硝酸銀および酢酸銀などの水溶性銀塩から銀カルコゲナイドナノ材料を合成する方法が提供される。別の例では、塩化スズ(II)および酢酸スズ(II)のような水溶性スズ塩からスズカルコゲナイドナノ材料を合成する方法が提供される。
別の例では、還元剤として水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)を使用することにより、ビスマス、銅、鉛、銀、インジウム、スズおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ材料を合成する方法が提供される。他の還元剤、例えばLiBHおよびKBHも可能である。カルコゲン前駆体に対するNaBHの比は、前駆体の種類および所望の生成物に依存して、約1:1〜約100:1の間で変化する。
別の例では、ゼロ次元(0D)ナノ粒子を1次元(1D)または2次元(2D)ナノ構造体に変換する方法が提供される。別の例では、調製されたナノ粒子から、磁気的または機械的混合または攪拌下でイオン交換プロセスによって金属カルコゲナイドナノチューブを合成する方法が提供される。別の実施例では、混合または攪拌せずに調製されたナノ粒子から金属カルコゲナイドナノシートを合成する方法が提供される。別の例では、最終的なナノ材料のサイズおよび形態に関する要求に応じて、約1分から約48時間までの範囲の反応時間内に、室温(すなわち、約20℃〜約26℃)で金属カルコゲナイドナノ材料を合成する方法が提供される。
図13を参照すると、金属カルコゲナイドナノ材料を生成するための方法1100が提供される。方法1100は、カルコゲン前駆体、還元剤および金属塩の水溶液を形成するステップ(1110)を含む。次いで、水溶液をある反応温度で、ある持続時間の間混合し(1120)、生成した金属カルコゲナイドナノ材料を水溶液から分離する(1130)。
好ましい例によれば、金属カルコゲナイドナノ材料は、界面活性剤を使用せずに生成される。別の例によれば、反応温度は、約10℃〜約40℃の間(すべて含む)である。別の例では、反応温度は、約10℃〜約30℃の間(すべて含む)である。別の例では、反応温度は、約20℃〜約30℃の間(すべて含む)である。好ましくは、反応温度はほぼ室温(すなわち、約20℃〜約26℃)である。好ましくは、外部加熱を反応には使用しないか、または適用しない。
別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料はMの式を有し、式中、MはBi、Cu、Pb、Ag、In、SnまたはSbであり;MがCuの場合、EはO、S、SeまたはTeであり、MがBi、Pb、Ag、In、SnまたはSbの場合、EはS、SeまたはTeであり、1≦x≦2かつ1≦y≦3である。
別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料はMの式を有し、式中、MはBi、CuまたはPbであり;MがCuである場合EはO、S、SeまたはTeであり、MがBiまたはPbである場合EはS、SeまたはTeであり、1≦x≦2かつ1≦y≦3である。
好ましくは、金属塩は水溶性である。別の例では、金属塩はビスマス塩、銅塩、鉛塩、銀塩、スズ塩、インジウム塩およびアンチモン塩の群から選択され、生成された金属カルコゲナイドナノ材料はビスマス、銅、鉛、銀、インジウム、スズおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ粒子を含む。別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料はビスマスカルコゲナイドナノ粒子であり、金属塩は水溶性ビスマス塩である。任意選択にて、ビスマス塩は、塩化ビスマスおよび/または硝酸ビスマスである。別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料は銅カルコゲナイドナノ粒子であり、金属塩は水溶性銅塩である。任意選択にて、銅塩は、塩化銅、硝酸銅および/または硫酸銅である。別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料は鉛カルコゲナイドナノ粒子であり、金属塩は水溶性鉛塩である。任意選択にて、鉛塩は硝酸鉛である。別の例では、生成された金属カルコゲナイドナノ材料はアンチモンカルコゲナイドナノ粒子であり、金属塩は水溶性アンチモン塩である。任意選択にて、アンチモン塩は塩化アンチモンである。
好ましくは、カルコゲン前駆体は水溶性である。さらなる例において、カルコゲン前駆体は、カルコゲン、カルコゲン粉末、カルコゲン溶液、カルコゲンベースの粉末またはカルコゲンベースの溶液である。他の例では、カルコゲン前駆体は硫黄、セレンまたはテルルである。他の例では、カルコゲン前駆体は、硫化ナトリウム(NaS・9HO)、硫化アンモニウム[(NHS]、亜セレン酸ナトリウム(NaSeO)、亜テルル酸ナトリウム(NaTeO)、酸化セレン(SeO)および酸化テルル(TeO)からなる群より選択される。
別の例では、還元剤は水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)である。別の例では、カルコゲン前駆体に対する還元剤のモル比は、約1:1〜約100:1の間である。好ましくは、持続時間は、約1分から約24時間までの間(すべて含む)である。より好ましくは、持続時間は、約1分から約12時間までの間(すべて含む)である。さらにより好ましくは、持続時間は、約1分から約6時間までの間(すべて含む)である。別の例では、生成した金属カルコゲナイドナノ材料は遠心分離によって分離される。
図14を参照すると、別の例示的な形態では、金属カルコゲナイドナノ粒子を金属カルコゲナイドナノチューブまたは金属カルコゲナイドナノシートに変換する水性ベースの方法1200が提供される。方法1200は、カルコゲン前駆体、還元剤および金属カルコゲナイドナノ粒子の水性混合物を水中に形成するステップ(1210)を含む。次いで、水性混合物を撹拌することによって金属カルコゲナイドナノチューブを形成するステップ(1220)か、または水性混合物を撹拌しないことによって金属カルコゲナイドナノシートを形成するステップ(1230)を含む。
様々な例において、変換方法は、約10℃〜約40℃の間(すべて含む)、または約10℃〜約30℃の間(すべて含む)、または約20℃〜約30℃の間(すべて含む)の反応温度で行われる。最も好ましくは、同方法は、ほぼ室温(すなわち、約20℃〜約26℃)である反応温度で行われる。ここでも、外部加熱は使用しないことが好ましい。
別の例では、金属カルコゲナイドナノチューブまたはナノシートは、遠心分離によってステップ(1240)で分離される。別の例では、ナノ粒子は、大部分は、または少なくとも実質的に、約1時間未満以内でナノチューブまたはナノシートに形成される。好ましくは、ナノ粒子は、大部分は、または少なくとも実質的に、約30分未満以内にナノチューブまたはナノシートに形成される。別の例では、ナノ粒子は、大部分は、または少なくとも実質的に、約20分未満以内にナノチューブまたはナノシートに形成される。
別の例では、ナノシートまたはナノチューブに変換する方法1200で使用される金属カルコゲナイドナノ粒子は、金属カルコゲナイドナノ材料を生成する前述の方法1100に従って生成される。別の例では、形成されたナノチューブの直径は、金属カルコゲナイドナノ粒子のサイズを選択することによって調整される。別の例では、形成されたナノシートのサイズは、攪拌を行わずに反応時間を選択することによって調整される。別の例では、攪拌は、磁気攪拌または機械的撹拌を用いる。
実施形態は、ビスマス、銅、鉛、銀、スズ、インジウムおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ材料の調製のための環境に優しく比較的低コストの方法を提供する。従来の調製方法に対していくつかの明確な利点があり、例えば、(1)水が溶媒として作用し、界面活性剤は使用されない;(2)金属前駆体およびカルコゲン前駆体に対して多くの選択肢が存在する;(3)室温での調製が可能であり、反応は比較的速い;(4)この方法は、幅広い用途のためにスケールアップすることができる;(5)得られる生成物のサイズ、形態、組成および/または結晶化度が調整可能である。
図1および図2は、ビスマス、銅、鉛、銀、スズ、インジウムおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ材料の合成および構造変換のための典型的なステップを示す。カルコゲナイドナノ材料は、ナノ構造体として形成または提供され、例えばナノ粒子、ナノワイヤ、ナノチューブおよび/またはナノシートのような様々な一次元、二次元および/または三次元の形状または形態で提供することができる。好ましい実施形態は、ナノ粒子としての最初の合成であり、それは、後にナノ粒子をナノチューブおよび/またはナノシートにさらに変換するために使用することができる。同方法は、カルコゲナイドナノ材料、好ましくはエネルギー変換に使用できる金属カルコゲナイドナノ材料を調製するための費用効果の高い方法である。
図1を参照すると、別の例示的な形態では、ビスマス、銅、鉛、銀、スズ、インジウムおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ構造体、特にナノ粒子のような金属カルコゲナイドナノ構造体170を調製するための水性ベースの方法100が提供される。この方法は、ステップ110において、カルコゲン前駆体115および還元剤118を水に添加し、次いでステップ120で攪拌してカルコゲン前駆体水溶液130を形成するステップを含む。金属塩を水に溶解すると金属塩水溶液140が形成される。ステップ150では、金属塩水溶液140を、カルコゲン前駆体水溶液130と、ある持続時間の間、ある反応温度、好ましくは室温若しくはほぼ室温(すなわち、約20℃〜約26℃)で混合する。あるいは、反応温度は、は約10℃〜約40℃の間(すべて含む)、約10℃〜約30℃の間(すべて含む)、または約20℃〜約30℃の間(すべて含む)であり得る。次いで、生成物170を、得られた溶液160から分離することができる。例えば、生成物170を分離することは、遠心分離、次いでMilli−Q(登録商標)水で数回洗浄し、次いで真空下で一定重量まで乾燥させることにより起こり、同生成物170は、金属、例えば、ビスマス、銅、鉛、銀、インジウム、スズおよび/またはアンチモンのカルコゲナイドナノ材料170であり、例えば使用される金属塩の種類に応じて、ナノ粒子の形態である。
図2を参照すると、別の例示的な形態では、金属カルコゲナイドナノ粒子170(すなわち、0Dナノ粒子)を1Dまたは2Dナノ構造体、例えばナノチューブ300またはナノシート320またはナノワイヤ(ナノチューブの直径が小さく、または材料で満たされている場合)に変換するための水性ベースの方法200が提供される。1Dまたは2Dナノ構造体の調製は、ステップ210において、カルコゲン前駆体および還元剤を水に添加し、次いでステップ220で攪拌してカルコゲン前駆体水溶液230を形成することを含む。先に調製されたナノ粒子270は、ステップ275において、一定量の水に分散させてナノ粒子280の水性懸濁液を形成する。次いで、カルコゲン前駆体水溶液230をナノ粒子280の水性懸濁液と混合する。混合物230、280をステップ290において、ある持続時間攪拌すると、ナノチューブ300が形成され、例えば遠心分離により分離することができ、得られたナノチューブをMilli−Q(登録商標)水で数回洗浄し、次いで真空下で一定重量まで乾燥させる。あるいは、混合物230、280がある持続時間攪拌されない場合(すなわち、攪拌ステップ310は行わない場合)、ナノシート320が形成され、例えば、遠心分離によって分離され得、得られたナノシートは、Milli−Q(登録商標)水で数回洗浄し、次いで真空下で一定重量まで乾燥させる。
例えば、ビスマス、銅、鉛、銀、スズ、インジウムおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ材料のような金属カルコゲナイドナノ材料は、エネルギーから生物医学分野に至るまで多様な用途を有する。本明細書に記載される結果は、ナノ材料が、熱/光の電気への変換などのエネルギー用途に使用され得ることを実証する。
実施形態は、0D金属カルコゲナイドナノ粒子の調製、および関連する1Dおよび2Dナノ構造体の調製を含む。0Dナノ粒子は、室温、すなわち約20℃〜約26℃で水溶液中の水溶性金属塩とカルコゲン前駆体との反応によって調製した(図1を参照)。他の温度、例えば約0℃〜約100℃の間(すべて含む)の反応温度が可能である。しかしながら、好ましくは、反応温度は、約10℃〜約40℃の間(すべて含む)、約10℃〜約30℃の間(すべて含む)、または約20℃〜約30℃の間(すべて含む)であり、比較的低い。
好ましい反応温度は、室温またはほぼ室温の範囲であり、これはまた、外部加熱が必要でないか、または少なくとも外部加熱が任意選択的であるという顕著な利点を提供する。典型的には、カルコゲン前駆体を、それが完全にまたは実質的に溶解するまで、水溶液中にて還元剤と混合した。金属塩を、水に溶解して、または実質的に溶解して、次いで激しく撹拌しながらカルコゲン溶液に素早く添加した。混合物をある持続時間(a duration of time)攪拌し、得られた沈殿物を遠心分離により分離した。例示的な攪拌または混合の時間は、約1分から約48時間までであり;約1分から約24時間までであり;約1分から約12時間までであり;約1分から約6時間までであり;約1分から約3時間までであり;約1分から約1時間までであり;約1分から約30分までであり;または約1分から約10分までである。数回の洗浄の後、沈殿物を真空下で乾燥した。
その後、合成されたままの0Dナノ粒子を前駆体として使用して、図2に示す例示的な方法に従って1Dおよび2Dナノ構造体を調製した。新しく合成したナノ粒子を水溶液に懸濁させた。カルコゲン前駆体溶液は、先に記載した方法と同じ方法で調製し、次いで激しく攪拌しながらナノ粒子懸濁液に添加した。混合物を連続的に攪拌するか、攪拌せずに停止した。形成された1Dまたは2Dナノ構造体は、遠心分離によって分離され、既に記載されたプロセスと同じプロセスによって精製されてもよい。
図3は、異なるサイズのセレン化第一銅ナノ粒子粉末のSEM画像およびXRDパターンを示す。結果は、カルコゲン前駆体の還元時間を約1分〜約120分の間、約10分〜約60分の間;または約15分〜約30分の間に単に制御することによって、粒子サイズを約8nm〜約30nmに調整することができることを示している。それらのXRDパターンに他のピークが存在しないことは、CuSeの純粋な相を示す。一般的な適用性を試験するために、同様の手順を用いて、他の銅、ビスマス、鉛、銀、スズ、インジウムおよびアンチモンカルコゲナイドナノ粒子を調製した。図4は、CuO、CuSおよびCuTeナノ粒子のSEM画像およびXRDパターンを示す。図5は、ビスマスカルコゲナイドおよび鉛カルコゲナイドナノ材料のSEM画像をそれぞれ示す。結果は、形態および粒子サイズの均一性を明らかに示し、様々な異なる金属カルコゲナイドナノ粒子に対するこの方法の一般的な適用性を実証している。
さらに、合成されたままのナノ粒子は、1Dおよび2Dナノ構造体を調製するための前駆体として使用することができる。図7は、CuSeナノ粒子、中間生成物および最終生成物のSEM画像およびXRDパターンを示す。この結果は、30分未満以内、例えば典型的には約10分〜約30分以内、より典型的には約20分未満以内でのCuSeナノ粒子のCuTeナノチューブへの完全な変換を実証する。中間体は、少量のナノ粒子と大部分のナノシートとの混合物である(図7b)。中間体ナノシートは、磁気撹拌下にてナノチューブに圧延することができる(図7c)。
ナノ粒子前駆体のサイズに対するCuTeナノチューブの直径依存性を調べるために、異なるサイズのCuSeナノ粒子を前駆体として選択し、同様の構造変換反応を行った。図8は、開始時のナノ粒子(図8a、8cおよび8e)および対応するナノチューブ(それぞれ図8b、8dおよび8f)のSEM画像を示すものであるが、開始時のナノ粒子のサイズに対する強い直径依存性を明確に示している。したがって、ナノシートの厚さおよびナノチューブの直径は、前駆体ナノ粒子のサイズを操作することによって調整することができる。
攪拌の重要性は、構造変換時にも調べられており、図9は、磁気撹拌しない場合の異なる時間における初期ナノ粒子および変換生成物のSEM画像を示す。攪拌せずに形成されたナノシートのみが存在し、ナノシートのサイズは反応時間の増加とともに増大する(図a〜dは時間順である)。したがって、ナノシートまたはナノチューブは、反応混合物を単に攪拌するかまたは撹拌しないことによって調製することができる。形成されたナノシートのサイズは、撹拌しないで反応時間を選択することによって調整することができる。
2成分カルコゲナイドナノ構造体に加えて、この新規な水性方法は、CuAgSe、CuAgS、CuSe1−x、BiSe3−xTeナノ構造体のような3成分カルコゲナイドを大規模に調製することができる。図10a−dは、3成分CuAgSeナノ粒子のXRDパターン、SEM、TEMおよび高分解能TEM画像を示す。
本実施形態の重要な利点は、優れた、または少なくとも良好に形成されたナノ構造体が、多様な用途のために大規模に合成され得ることである。一例として、熱電技術における応用が提示される。図11a−dは、放電プラズマ焼結技術によるCuAgSeナノ粒子から焼結された例示的なペレットの電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導率およびZTの温度依存性を示す。新規な温度依存性の導電性転移(conductivity transition)がパレット内で観察された。すなわち、導電性は3K(−270℃)から600K(327℃)までの温度上昇を伴って、金属導電体からn型半導体を経てp型半導体に転移した。ZT値は文献(S.Ishikawa、Y.Shiomi、J.S.Lee、M.S.Bahramy、T.Suzuki、M.Uchida、R.Arita、Y.Taguchi、Y.Tokura、Nat.Mater.、2013年、第12巻、512−517頁を参照)が報告したものより高く、熱電性能を高める上におけるナノ構造体の重要性を実証している。
したがって、ビスマス、銅、鉛、銀、スズ、インジウムおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ構造体のような金属カルコゲナイドナノ構造体を、様々な用途に合わせて調整可能なサイズおよび/または形態で調製する環境に優しく経済的な手法が提供され、以下のより具体的な実施例によってさらに実証される。
さらなる実施例
以下の実施例は、特定の実施形態のより詳細な議論を提供する。実施例は単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。
実施例1:サイズ調整可能なCuSeナノ粒子の調製
様々な実施例を示す典型的な合成において、3.16g(40mmol)のSe粉末を400mLの水に懸濁し(カルコゲン前駆体を含む水溶液または懸濁液の一例)、続いて4.5g(120mmol)のNaBHを加えた(還元剤を含む水溶液の一例)。混合物を15分間撹拌して無色溶液を形成し、次いでCuCl溶液13.6g(80mmol)(金属塩を含む水溶液の一例)を激しく攪拌しながら混合物に素早く添加した。混合物をさらに10分間撹拌し、得られた黒色沈殿物を遠心分離によって分離し、Milli−Q(登録商標)水で数回洗浄した。黒色生成物は、8.5nmの平均サイズを有する純粋なCuSeナノ粒子であることを特徴とする(図3aおよび3d)。9.6nmおよび29.2nmサイズのCuSeナノ粒子を、還元時間を約15分から約30分まで(図3bの9.6nm)、または約60分まで(図3cの29.2nm)と延長することを除いて同様の方法で調製した。全てのナノ粉末を乾燥して一定重量とし、真空下に保持した。
実施例2:CuTe、CuS、CuOナノ粒子の調製
CuTeナノ粒子を同様の方法で調製し、10mmolのTe粉末を40mLの水中にて30mmolのNaBHと混合した。Te粉末が完全に還元された後、20mmolのCuCl溶液を磁気攪拌下で紫色のTe前駆体溶液に素早く添加した。得られた黒色沈殿物を遠心分離により分離し、水で数回洗浄した。図4aは、得られた生成物のSEM画像であり、均一なサイズのナノ粒子を明瞭に示している。
CuSナノ粒子は、前駆体としてNaS・9HOを使用することによって調製した。等モルNaS・9HOおよびNaBHを40mLの水に溶解し、次いで10mLのCuCl溶液(0.2M)を混合物に添加した。得られた沈殿物を回収し、上記の手順で精製した。図4bは、得られたナノ粒子のSEM画像を示す。より多くのNaBHを使用した場合、CuSではなくCuOナノ粒子が得られたことに留意すべきである。図4cは、NaBHの5倍から作製されたCuOナノ粒子のSEM画像を示す。図4dに示されるそれらのXRDパターンは、他の結晶相が存在しないこと、および生成されたナノ粒子が高純度であることを示す。
実施例3:BiおよびPbE(E=S、Se、およびTe)ナノ粒子の合成
この方法の一般的な適用性を試験するために、同様の手順を用いてビスマスカルコゲナイドおよび鉛カルコゲナイドナノ粒子を調製した。典型的には、1mmolのBi(NO・5HOを9mLのHOおよび1mLのHNO(70%)(すなわち、酸)に溶解して透明な溶液を形成した。1.5mmolのSe(またはTe)粉末および3mmolのNaBHを10mLのHOに溶解した。Se(またはTe)を完全に溶解させた後、Bi溶液をSe(またはTe)前駆体溶液に素早く添加した。約10分間撹拌した後、得られた沈殿物を遠心分離によって回収し、水で数回洗浄した。Biナノ粒子は、NaBHがないことを除いて、CuSナノ粒子と同様の方法で調製した。HNOの量を制御することにより、良好に結晶化したシャトル様Biナノロッドを得ることができる。図5(a−c)は、得られた硫化ビスマス、セレン化ビスマスおよびテルル化ビスマスナノ構造体のSEM画像を示す。
同様の手順で鉛カルコゲナイドナノ粒子を調製した。唯一の相違点は、酸を使用しなかったことである。典型的には、1mmolのSe(またはTe)粉末および2mmolのNaBHを10mLのHOに溶解した。Se(またはTe)を完全に溶解させた後、5mLのPb(NO溶液(0.2M)を添加した。得られた沈殿物を遠心分離により回収し、水で数回洗浄した。図5(d〜f)は、得られた硫化鉛、セレン化鉛およびテルル化鉛ナノ粒子のSEM画像を示す。均一なナノ粒子が成功裏に得られ、この手法の一般的な適用性が実証された。
実施例4:AgE、SnEおよびSb(E=S、SeおよびTe)ナノ粒子の合成
この水性方法の一般的な適用性は、銀、スズおよびアンチモンカルコゲナイドナノ粒子の調製によってさらに実証される。AgSeおよびAgTeナノ粒子の調製において、1mmolのSe(またはTe)粉末は、10mLのHO中の2mmolのNaBHによって完全に還元され、次いで、20mLのAgNO水溶液(2mmolのAgNO)に素早く添加した。得られた黒色沈殿物を遠心分離により分離し、次いでMilli−Q(登録商標)水で数回洗浄し、一定重量になるまで真空下で乾燥させた。Sn およびSb イオンの加水分解を防ぐために、3mLの濃HClをSnClまたはSbCl溶液に加えた以外は同様の方法で、スズおよびアンチモンの亜セレン酸塩および亜テルル酸塩を調製した。
AgSナノ粒子の調製の間、1mmolのNaSを10mLのHOに溶解し、次いで撹拌しながら20mLのHO中にて2mmolのAgNOと混合した。得られた沈殿物を同様の手順で分離精製した。SnSおよびSbSeナノ粒子の調製のために、ここでも3mLの濃HClを用いて、SnClまたはSbClの加水分解を防止した。図6は、得られた銀、スズおよびアンチモンカルコゲナイドナノ粒子のSEM画像を示す。
実施例5:1DCuTeナノチューブの合成
合成されたままの金属カルコゲナイドナノ粒子は、CuSeナノ粒子を使用することによって例示されるように、1Dナノ構造体(例えば、ナノチューブまたはナノワイヤ)に変換することができる。まず、100mLの水に1mmolのTe粉末を分散させた後、過剰のNaBH(26mmol)を加えて無色溶液を形成した。次いで、207mgのCuSeナノ粒子(29.2nm)を10mLのHO中に分散させ、激しく攪拌しながら新たに調製したNaTe溶液に加えた。混合物を撹拌し、中間体を異なる時間に取り出した。サンプルを遠心分離により分離し、水で洗浄した。図7は、最初のCuSeナノ粒子、および2分および20分で回収したサンプルのSEM像およびXRDパターンを示し、中間ナノシートの巻き上げを介するCuSeナノ粒子のCuTeナノチューブへの変換を示す。
変換メカニズムをより良く理解するために、7nm、8nm、および29nmのCuSeナノ粒子を前駆体として使用して、変換反応を繰り返した。得られたナノチューブは、それぞれ約14nm、15nmおよび52nmの平均直径を有する。最初のナノ粒子および対応するナノチューブのSEM画像を図8に示し、これは、最初のナノ粒子のサイズに対するナノチューブの強い直径依存性を明らかに示している。したがって、ナノチューブの直径は、前駆体ナノ粒子のサイズを選択することによって調整することができる。
実施例6:2DCuTeナノシートの合成
2Dナノシートは、ナノチューブを形成するために適用された方法と同様の方法によって調製された。典型的には、激しく撹拌しながら、1mmolのTe粉末を100mLのHO中の26mmolのNaBHで還元した。Te粉末を完全に還元した後、103mgの新たに調製されたCuSeナノ粒子を100mLのHOに分散させ、次いで激しく撹拌しながら前駆体溶液に添加した。次に、撹拌を直ちに停止し、サンプルを異なる時間に回収し、特性決定のために精製した。図9は、最初のCuSeナノ粒子および5分、20分および3時間で回収した生成物のSEM画像を示す。ナノシートは攪拌しない場合のみ認められ、そのサイズは反応時間の増加とともに増大する。したがって、反応時間を選択することによって、ナノシートのサイズを調整することができる。
実施例7:3成分カルコゲナイドナノ粒子の合成
この方法は、2成分ビスマス、銅、鉛、銀、スズ、インジウムおよび/またはアンチモンカルコゲナイドナノ材料の調製に加えて、CuAgSe、CuAgS、Cu1−xSe、CuSe1−xTe、PbSe1−x、PbSe1−xTeなどの3成分ナノ材料を調製することもできる。典型的な合成では、3.16g(40mmol)のSe粉末と4.54gのNaBHを400mLの蒸留水中に分散させ、混合物を室温でArの保護下で25分間撹拌して無色のセレン前駆体溶液を形成する。Cu(NO・3HO 9.7g(40mmol)とAgNO 6.8g(40mmol)を蒸留水400mLに完全に溶解させた後、速やかにSe前駆体溶液に添加してCuAgSe黒色沈殿物を形成させた。黒色生成物を遠心分離により分離し、蒸留水で数回洗浄し、次いで減圧下で一定重量まで乾燥させた。図10a−dは、得られたCuAgSeナノ粒子のXRDパターン、SEM、TEMおよび高分解能TEM画像を示し、得られたCuAgSeナノ粒子が均一なサイズおよび高い結晶性を有することを実証している。
実施例8:金属カルコゲナイドナノ構造体の熱電特性
金属カルコゲナイドナノ構造体の熱電特性は、それらのナノ構造体粉末から圧縮されたペレットを用いて特性決定された。CuAgSeナノ粒子から製造されたペレットを一例として使用した。典型的には、合成されたままのCuAgSeナノ粒子3gを20mmのグラファイトダイに装填し、アルゴン雰囲気下の430℃で10分間、放電プラズマ焼結技術を用いて焼結し、バルク密度94%を達成した。図11の左側のカラムのa−bは、焼結CuAgSeペレットの断面SEM画像とそのXRDパターンを示す。次いでペレットを熱電測定のために切片に切り分けた。低温熱電性能(すなわち、3K(−270℃)から350K(77℃))を物理的特性測定システム(PPMS)で試験した。図11の左側のカラムのc−fは、ゼーベック係数、電気伝導度、および熱伝導率ならびにZT値を示す。この結果は、文献(S.Ishiwata、Y.Shiomi、J.S.Lee、M.S.Bahramy、T.Suzuki、M.Uchida、R.Arita、Y.Taguchi、Y.Tokura、Nat.Mater.、2013年、第12巻、512−517頁)に報告されたものと比較して、本実施形態に従って製造されたサンプルのより高いZT値を示す。高温(すなわち、323K(50℃)から623K(350℃)まで)の伝導度を323K(50℃)から623K(350℃)まで測定し、切片の電気伝導度およびゼーベック係数をOzawa RZ2001i(日本)機器で測定し、熱伝導率をk=DCρ(式中、Dは熱拡散率であり、Netzsch LFA1000によって測定され、Cは比熱容量であり、示差走査熱量測定法によって測定され、ρは質量および体積から計算される密度である)から計算した。図11の右側のカラムのa−fは、電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導率およびZTの温度依存性を示す。新規な温度依存性金属−n−p導電性転移が観察された。
実施例9:金属カルコゲナイドナノ構造体からの対電極の作製
得られた金属カルコゲナイドナノ構造体の別の潜在的な応用は、増感剤および量子ドット増感太陽電池(QDSSC)の対電極として供される太陽電池にある。CuTeナノ粒子、ナノチューブおよびナノシートを用いてQDSSCの対電極を作製した。それらをドクターブレード技術によりFTO基板上に堆積させ、形成された膜をAr雰囲気中、350℃で30分間アニールして結合剤を除去し、膜と基板との接触を強化した。比較のために、50nmのAuの層をスパッタリングすることによってAu電極を作製した。
太陽電池は、厚さ60μmのスペーサーで分離されたバインダークリップを用いて対電極(CuTeNP、CuTeNT、CuTeNS、およびAu)およびCdSe/CdS増感TiO膜電極を組み立てることによって作製した。0.16cmの窓面積を有するメタルマスクをTiO側にクリップし、試験時にセルの活性領域を画定した。ポリスルフィド電解質は、Milli−Q(登録商標)水中の2M NaS、2M Sおよび0.2M KClから構成した。図12は、CuTeナノ粒子(NP)、ナノチューブ(NT)およびナノシート(NS)、およびAuから作製された例示的な対電極を用いて組み立てられたQDSSCの性能を示し、形態依存性性能および貴金属Au電極よりも優れたそれらの性能を実証している。
任意の実施形態は、本明細書で言及または指示された部品、要素、ステップおよび/または特徴を、個別にまたは2つ以上の部品、要素、ステップおよび/または特徴の任意の組み合わせで広く含むと言える。本発明が関連する技術分野において公知の均等物を有する特定の整数が言及されているが、このような公知の均等物は、個々に記載されているかのように本明細書に組み込まれるものとみなされる。
好ましい実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの修正、変更、置換または改変が当業者には明らかであることを理解されたい。

Claims (40)

  1. 金属カルコゲナイドナノ材料を生成する方法であって、前記方法は、
    カルコゲン前駆体、還元剤及び金属塩の水溶液を形成するステップと、
    約10℃〜約40℃の間のすべてを含む反応温度で、水溶液をある持続時間の間混合するステップと、
    生成した金属カルコゲナイドナノ材料を水溶液から分離するステップと、を含む方法。
  2. 前記金属カルコゲナイドナノ材料は界面活性剤を使用しないで生成される請求項1に記載の方法。
  3. 前記反応温度は包括的に約10℃〜約30℃の間である請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記反応温度は包括的に約20℃〜約30℃の間である請求項1または2に記載の方法。
  5. 前記反応温度はほぼ室温である請求項1または2に記載の方法。
  6. 外部加熱を使用しない請求項5に記載の方法。
  7. 生成された金属カルコゲナイドナノ材料はMの式を有し、式中、
    MはBi、Cu、Pb、Ag、In、SnまたはSbであり;
    MがCuの場合EはO、S、SeまたはTeであり、或いはMがBi、Pb、Ag、In、SnまたはSbの場合EはS、SeまたはTeであり、
    1≦x≦2かつ1≦y≦3である、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 生成された金属カルコゲナイドナノ材料はMの式を有し、式中、
    MはBi、CuまたはPbであり;
    MがCuである場合EはO、S、SeまたはTeであり、MがBiまたはPbである場合EはS、SeまたはTeであり、
    1≦x≦2かつ1≦y≦3である、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記金属塩は水溶性である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記金属塩は、ビスマス塩、銅塩、鉛塩、銀塩、インジウム塩、スズ塩およびアンチモン塩の群から選択され、前記生成した金属カルコゲナイドナノ材料はビスマス、銅、鉛、銀、インジウム、スズおよびアンチモンのうちの少なくとも1つのカルコゲナイドナノ粒子である、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記生成した金属カルコゲナイドナノ材料はビスマスカルコゲナイドナノ粒子であり、前記金属塩は水溶性ビスマス塩である、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記ビスマス塩は、塩化ビスマスおよび硝酸ビスマスのうちの少なくとも一方である、請求項11に記載の方法。
  13. 前記生成した金属カルコゲナイドナノ材料は銅カルコゲナイドナノ粒子であり、かつ前記金属塩は水溶性銅塩である、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記銅塩は、塩化銅、硝酸銅および硫酸銅のうちの少なくとも1つである、請求項13に記載の方法。
  15. 前記生成した金属カルコゲナイドナノ材料は鉛カルコゲナイドナノ粒子であり、前記金属塩は水溶性鉛塩である、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記鉛塩は硝酸鉛である、請求項15に記載の方法。
  17. 前記カルコゲン前駆体は水溶性である、請求項1乃至16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記カルコゲン前駆体は、カルコゲン粉末、カルコゲン溶液、カルコゲンベースの粉末またはカルコゲンベースの溶液である、請求項1乃至17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記カルコゲン前駆体は硫黄、セレンまたはテルルである、請求項1乃至18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 前記カルコゲン前駆体は、硫化ナトリウム(NaS・9HO)、硫化アンモニウム((NHS)、亜セレン酸ナトリウム(NaSeO)、亜テルル酸ナトリウム(NaTeO)、酸化セレン(SeO)および酸化テルル(TeO)からなる群より選択される、請求項1乃至17のいずれか一項に記載の方法。
  21. 前記還元剤は水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)、LiBHおよびKBHのうちの少なくとも1つである、請求項1乃至20のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記カルコゲン前駆体に対する前記還元剤の比は、約1:1〜約100:1の間である、請求項1乃至21のいずれか一項に記載の方法。
  23. 持続時間は、包括的に約1分から約24時間までである、請求項1乃至22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 持続時間は、包括的に約1分から約12時間までである、請求項1乃至22のいずれか一項に記載の方法。
  25. 持続時間は、包括的に約1分から約6時間までである、請求項1乃至22のいずれか一項に記載の方法。
  26. 前記生成した金属カルコゲナイドナノ材料は遠心分離によって分離される、請求項1乃至25のいずれか一項に記載の方法。
  27. 請求項1乃至26のいずれか一項に記載の方法に従って生成される金属カルコゲナイドナノ材料。
  28. 金属カルコゲナイドナノ粒子を金属カルコゲナイドナノチューブまたは金属カルコゲナイドナノシートに変換する方法において、前記方法は、
    カルコゲン前駆体、還元剤および金属カルコゲナイドナノ粒子の水性混合物を水中に形成するステップと、
    前記水性混合物を攪拌して金属カルコゲナイドナノチューブを形成するステップまたは水性混合物を撹拌せずに金属カルコゲナイドナノシートを形成するステップと、を含む、方法。
  29. 前記方法は、包括的に約10℃〜約40℃、または包括的に約10℃〜約30℃、または包括的に約20℃〜約30℃を含む反応温度で行われる、請求項28に記載の方法。
  30. 前記方法は、ほぼ室温である反応温度で行われる、請求項28に記載の方法。
  31. 外部加熱は使用しない請求項30に記載の方法。
  32. 前記金属カルコゲナイドナノチューブまたは前記金属カルコゲナイドナノシートは遠心分離によって分離される、請求項28乃至31のいずれか一項に記載の方法。
  33. 前記ナノ粒子は、大部分が約1時間未満以内にナノチューブまたはナノシートに形成される、請求項28乃至32のいずれか一項に記載の方法。
  34. 前記ナノ粒子は、大部分が約30分未満以内にナノチューブまたはナノシートに形成される、請求項28乃至32のいずれか一項に記載の方法。
  35. 前記ナノ粒子は、大部分が約20分未満以内にナノチューブまたはナノシートに形成される、請求項28乃至32のいずれか一項に記載の方法。
  36. 前記金属カルコゲナイドナノ粒子は、請求項1乃至26のいずれか一項に従って生成される、請求項28乃至35のいずれか一項に記載の方法。
  37. 形成されたナノチューブの直径は、前記金属カルコゲナイドナノ粒子のサイズを選択することによって調整される、請求項28乃至36のいずれか一項に記載の方法。
  38. 形成されたナノシートのサイズは、攪拌を行わずに反応時間を選択することによって調整される、請求項28乃至36のいずれか一項に記載の方法。
  39. 前記攪拌は、磁気攪拌または機械的撹拌を用いる、請求項28に記載の方法。
  40. 前記金属カルコゲナイドナノ材料がペレットに形成されることをさらに含む、請求項28乃至39のいずれか一項に記載の方法。
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