TWI515312B - 複合奈米粒子材料及用於加熱液體之包含該材料之組成物及用途 - Google Patents

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TWI515312B
TWI515312B TW103133168A TW103133168A TWI515312B TW I515312 B TWI515312 B TW I515312B TW 103133168 A TW103133168 A TW 103133168A TW 103133168 A TW103133168 A TW 103133168A TW I515312 B TWI515312 B TW I515312B
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Description

複合奈米粒子材料及用於加熱液體之包含該材料之組成物及用途
本發明係關於一種複合奈米粒子材料，尤其係關於一種黃銅礦系複合奈米粒子材料。
黃銅礦系材料在太陽光譜具有高吸收係數與高光照輻射穩定性，被視為極有潛力之未來光伏元件材料。已知如第2013/0200313A1號美國專利所揭露，可藉由物理或化學方式塗覆其他物質至該黃銅礦系奈米核表面而形成複合的核-殼材料，並揭示該材料係用於光伏元件。
另一方面，現今石化工業用於分離純化非極性溶劑的製程，往往耗費鉅額能源進行蒸餾，且多數以廢熱散逸，是以相對的轉換效率低。
因此，如何提供一種新穎之技術和方法，以較低的能源成本和較高的相對轉換效率達成分離溶劑之目的，實為一重要課題。
本發明提供一種複合奈米粒子材料，其包含複數黃銅礦系奈米核及複數金屬奈米子顆粒，該複數金屬奈米子顆粒係佈設於各該黃銅礦系奈米核之表面上。本發明之複合奈米粒子材料相較於單獨的黃銅礦系奈米核，其藉由該金屬奈米子顆粒具有對入射光產生表面電漿效應，並轉移能量於黃銅礦系奈米核上，其具有加強的光吸收特性，能更有效的將光能轉為熱能。
本發明之複合奈米粒子材料復可包括分散劑，該分散劑係附著於該複合奈米粒子材料之表面上。
本發明復提供一種上述之複合奈米粒子材料的用途，其係用於加熱液體，例如用於海水淡化。
本發明復提供一種上述之複合奈米粒子材料的用途，其係用於分離溶劑混合物。
上述分離溶劑混合物之加熱係包括以下步驟：將本發明複合奈米粒子材料加入溶劑混合物；以及使光源經過聚焦元件後，照射該含有上述複合奈米粒子材料的溶劑混合物，以分離(蒸餾)出溶劑。
較佳地，本發明之複合奈米粒子材料表面上附著有分散劑，可利用分散劑極性的選擇，使欲分離的溶劑被優先蒸餾分離。而利用金屬奈米子顆粒與黃銅礦系奈米核之加強的光吸收特性，僅需加入非常微量(0.05%)的複合奈米粒子材料即能有效將入射光能轉為熱能，就能加熱奈米粒子材料周遭的溶劑，迅速產生大量溶劑蒸汽，進而分離溶劑。本發明利用該複合奈米粒子材料並使該材料表面附著有分 散劑，藉由太陽光經過聚焦元件照射，可加熱分離(蒸餾)沸點相近的兩種溶液。藉由選擇不同極性之分散劑，例如添加的分散劑之極性與欲分離之溶劑的極性相對接近，使該複合奈米粒子材料傾向分佈靠近於該欲分離之極性，藉此分離(蒸餾)出該與分散劑之極性較接近的溶劑。此外，只要所添加之分散劑不會於加熱過程中汽化，就不致污染產物。本發明之技術可利用太陽能純化分離溶劑，利用其有效轉換太陽能為熱能而產生溶劑蒸汽之特性，大幅降低耗能與時間成本。
1‧‧‧光源
2‧‧‧聚焦元件
3‧‧‧容器
4‧‧‧溶劑混合物
5‧‧‧複合奈米粒子材料
6‧‧‧溶劑蒸氣
7‧‧‧聚焦後之光線
第1圖係分離溶劑之裝置示意圖；第2圖顯示Au-CuInS2奈米粒子之穿透式電子顯微鏡(TEM)照片；第3圖顯示不同奈米粒子粒子於不同光波長之吸收度；第4圖顯示不同奈米粒子之加熱溶液效率；以及第5圖顯示不同液體系統下MCH氣體相對於MCH液體之莫耳分率。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點及功效。
本發明之複合奈米粒子材料，其包含複數黃銅礦系奈米核及複數金屬奈米子顆粒，該複數金屬奈米子顆粒係佈 設於各該黃銅礦系奈米核之表面上。較佳地，該複數金屬奈米子顆粒係鑲嵌於各該黃銅礦系奈米核之表面上。
一實施例中，該金屬奈米子顆粒係可吸收500nm至600nm波長之可見光。較佳地，該金屬奈米子顆粒係選自白金、銀及金奈米粒子所組成群組的至少一種。
該詞「黃銅礦系奈米核」可為式I-III-VI2所示奈米粒子或其類似物，其中，I表示週期表中第11族的元素(Cu、Ag或Au)，III表示週期表中第13族的元素(B、Al、Ga、In或Ti)，以及VI表示週期表中第16族的元素(O、S、Se、Te或Po)。該式I-III-VI2可為，例如，CuInS2、CuInSe2、Cu(In,Ga)S2、Cu(In,Ga)Se2、CuGaSe2或AgInS2，其類似物可為，例如，Cu2ZnSnS4或Cu2ZnSnSe4。因此，該黃銅礦系奈米核之材質係可選自CuInS2、CuInSe2、Cu(In,Ga)S2、Cu(In,Ga)Se2、CuGaSe2、AgInS2、Cu2ZnSnS4及Cu2ZnSnSe4所組成群組的至少一種。
該詞「該複數金屬奈米子顆粒係『佈設』於各該黃銅礦系奈米核之表面上」，係指黃銅礦系奈米核的表面上具有複數金屬奈米子顆粒，通常複數金屬奈米子顆粒的分佈係不連續。該詞「該複數金屬奈米子顆粒係『鑲嵌』於各該黃銅礦系奈米核之表面上」，係指黃銅礦系奈米核的表面上具有如複數凹穴之空間，以供嵌入且固定金屬奈米子顆粒。
在一具體實施例中，該黃銅礦系奈米核的表面上係具有54%至64%之金屬的表面積覆蓋率。該表面積覆蓋率= (金屬奈米子顆粒佔據黃銅礦系奈米核的表面積/黃銅礦系奈米核表面積)x 100%。該「黃銅礦系奈米核表面積」係以TEM圖中單一個複合奈米粒子之黃銅礦系奈米核之圓周長數值表示，該「金屬奈米子顆粒佔據黃銅礦系奈米核的表面積」係以TEM圖中，該個複合奈米粒子上各金屬奈米子顆粒接觸黃銅礦系奈米核的周長加總數值表示。
本發明之黃銅礦系奈米核之粒徑範圍可為1nm至100nm，較佳為5nm至15nm。本發明之金屬奈米子顆粒之粒徑範圍可為1nm至50nm，較佳為2nm至8nm。較佳地，該黃銅礦系奈米核之粒徑係大於該金屬奈米子顆粒之粒徑。舉例而言，當黃銅礦系奈米核之粒徑為5nm，金屬奈米子顆粒之粒徑即介於2nm至小於5nm。而當黃銅礦系奈米核之粒徑為15nm，金屬奈米子顆粒之粒徑即介於2nm至小於15nm。
本發明之複合奈米粒子材料之粒徑範圍可為1nm至100nm，較佳為7nm至23nm，此粒徑範圍之複合奈米粒子材料較易均勻分散在溶液之中，形成類似膠體溶液不易沉澱。
本發明之複合奈米粒子材料復可包括分散劑，該分散劑係附著於該複合奈米粒子材料之表面上。本發明係以分散劑搭配適當溶劑製備該複合奈米粒子材料，所製得之複合奈米粒子材料之表面上係附著有分散劑。
該詞「分散劑」係指同時具有下列性質之物質：能靠近到複合奈米粒子材料表面，使複合奈米粒子材料表面產 生一個穩定相，以避免粒子材料之再凝聚產生；使該奈米粒子材料與加入之液體相溶。
在一具體實施例中，該溶劑可為有機溶劑，例如：己烷、二氯苯、氯仿及油酸等。
本發明復提供一種上述之複合奈米粒子材料的用途，其係用於加熱液體。將本發明之複合奈米粒子材料加入液體中，藉由光源經過聚焦元件照射該含有複合奈米粒子材料之液體，用金屬奈米子顆粒與黃銅礦系奈米核之加強的光吸收特性即能有效將光能轉為熱能，就能加熱奈米粒子材料周遭的液體。
本發明復提供一種上述之複合奈米粒子材料的用途，其係用於分離溶劑混合物。該溶劑混合物包含至少二種溶劑，且經加熱該溶劑混合物後，蒸餾分離出至少一種該溶劑。
上述該溶劑混合物之加熱係包括：將本發明之複合奈米粒子材料加入該溶劑混合物中，以及使光源經過聚焦元件後，照射該含有該複合奈米粒子材料的溶劑混合物使其沸騰，以蒸餾分離出至少一種該溶劑。
如第1圖所示之分離溶劑的裝置示意圖，該溶劑混合物4係置於一容器3中，該容器3之材質可至少部分為透明以利於照光或容器3的結構設計使光源的光線可進入照射該溶劑混合物4即可實施本發明。
該溶劑混合物之加熱係包括將本發明包含複合奈米粒子材料5之組成物加入包含至少二種溶劑之溶劑混合物 4中；以及使光源1經過聚焦元件2後得到聚焦後之光線7，該聚焦後之光線7照射該含有本發明之組成物的溶劑混合物4，以產生溶劑蒸氣6，蒸餾分離出至少一種該溶劑。
該分散劑的選擇上，以加熱液體為例，在用於加熱液體時，當該液體係為包含一液態介質之混合物，例如海水，該液態介質之沸點低於該混合物中其他成分，例如金屬元素或離子，則相較於該混合物中之其他成分，該分散劑的極性與該液態介質，亦即與水的極性相近。
較佳地，係選用與欲分離出的溶劑之極性相近的分散劑，該複合奈米粒子材料透過分散劑之作用，除了使該複合奈米粒子材料克服重力的影響分散在溶劑中，亦使其傾向分佈於欲分離出的溶劑。當該複合奈米粒子材料吸收光能而放出熱能時，可藉此分離(蒸餾)出該與分散劑之極性較接近的溶劑。該分散劑可使用一般的極性或非極性分散劑，可依據溶劑的極性選擇合適的分散劑。在一具體實施例中，該極性分散劑可選自檸檬酸鈉、胺基矽烷、巰基矽烷或巰乙酸(thioglycolic acid)等。在一具體實施例中，該非極性分散劑可選自油胺(oleylamine)、油醇(oleic alcohol)或油酸(oleic acid)等。
該詞「光源」係指任何可發出光之來源，例如，太陽光、太陽模擬光、燈泡、雷射光等。本發明利用該光源的能量轉換為熱能使用，而該些光源可單獨使用或組合使用。
該詞「聚焦元件」係指任何可將光源聚集之元件，例如，凸透鏡、拋物面鏡、柱面鏡等。該些聚焦元件可單獨 使用或組合使用。
在一具體實施例中，將本發明之組成物加入待分離的溶劑混合物，使光源經過聚焦元件後，照射該含有本發明之組成物的溶劑混合物，當該複合奈米粒子材料吸收光能而放出熱能時可使該待分離的溶劑混合物為沸騰，藉此分離(蒸餾)出該與分散劑之極性較接近的溶劑。其中，該組成物之含量，以該1公升之溶劑系統為基準係500毫克至10000毫克。較佳地，當該待分離的溶劑混合物達到4.5J/mL可使其沸騰進而分離(蒸餾)出該與分散劑之極性較接近的溶劑。
本發明加熱液體之組成物用於分離溶劑時，僅需要加入微量的複合奈米粒子材料至該溶劑混合物，藉由太陽光經過聚焦元件加熱該溶劑混合物就可分離溶劑，無需其他能源的消耗，因此分離成本極低。此外，該複合奈米粒子材料因具有高熔點特性，且黃銅礦系奈米核與金屬奈米子顆粒皆為穩定性材料，不會在加熱分離溶劑的過程中逸散至蒸餾系統中造成污染。
本發明之複合奈米粒子材料可穩定保存6個月以上，並且可重複使用於分離溶劑混合物之方法中。
以下實施例用以說明本發明，本發明之申請專利範圍並不會因此而受限制。本發明亦可藉由其它不同之實施方式加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明所揭示之精神下進行各種修飾與變更。
除非文中另有說明，否則說明書及所附申請專利範圍中所使用之單數形式「一」及「該」包括複數個體。
除非文中另有說明，否則說明書及所附申請專利範圍中所使用之術語「或」包括「及/或」之含義。
實施例 製備例1 CuInS2奈米粒子之製備
以CuxCly(0.5毫莫耳(mmol))、InxCly(0.5mmol)(購自Alfa Aesar)及70%油胺(12毫升(mL))(購自Sigma Aldrich)做為前驅物加熱後，加入硫脲作為S前驅物(1.0mmol)(thiourea，購自Sigma Aldrich)在260℃反應1小時，自然冷卻後，於5000rmp下離心5分鐘可得純化且表面上附著有油胺的CuInS2奈米粒子，其粒徑介於5nm至15nm之間。
製備例2 Au-CuInS2奈米粒子之製備
將上述製備之CuInS2奈米粒子(2.2mmol)與氯化金(110μmol)(99.99%單位)(購自Sigma Aldrich)、氯仿(8.4mL)(99.8%)(購自J.T.Baker)及70%油胺(3mL)(其中，氯化金/CuInS2之莫耳濃度=0.05)混合後，加熱至60℃反應6小時，自然冷卻後，於5000rmp下離心5分鐘可得純化且表面上附著有油胺的Au-CuInS2奈米粒子，其粒徑介於7nm至23nm之間，如第2圖所示。所製得之Au-CuInS2奈米粒子，該CuInS2奈米粒子的表面上係具有54%至64%之Au的表面積覆蓋率。
該表面積覆蓋率之計算方式為：(Au奈米粒子佔據CuInS2奈米粒子的表面積/CuInS2奈米粒子表面積)x 100%。
實驗例1 不同奈米粒子之光吸收度之測試
將上述製備之Au-CuInS2奈米粒子(6.5毫克(mg))、CuInS2奈米粒子(6.5mg)、Au奈米粒子(6.5mg，以Chem.Eur.J.2008,14,1584-1591之方法合成)及Au與CuInS2奈米粒子之混合物(6.5mg，其中Au與CuInS2分別為3.25mg)，以光源Class AAA solar simulator AM 1.5G(太陽模擬光量測系統)分別照射該些奈米粒子溶液並測量光吸收度。第3圖顯示不同奈米粒子粒子於不同光波長之吸收度。由該圖可看出，Au-CuInS2奈米粒子於可見光(波長400至800nm)區段具有最好的吸收度。
實驗例2 不同奈米粒子之加熱溶液效率之測試
將上述製備之Au-CuInS2奈米粒子(6.5mg)、CuInS2奈米粒子(6.5mg)、Au奈米粒子(6.5mg，以Chem.Eur.J.2008,14,1584-1591之方法合成)及Au與CuInS2奈米粒子之混合物(6.5mg，其中Au與CuInS2分別為3.25mg)分別加入甲苯溶液(15mL)(100%)中。以超音波震盪數秒將該些奈米粒子均勻分散於甲苯溶液中，再以光源Class AAA solar simulator AM 1.5G(太陽模擬光量測系統)分別照射(3min)上述加入不同奈米粒子之甲苯溶液及純甲苯溶液，並監測 該照射時的溫度與質量損失。其結果如第4圖所示，加入Au-CuInS2奈米粒子之甲苯溶液的有最佳的加熱溶液之效率。
該加熱溶液之效率之計算方式為：(溶液在未達到沸點前30秒內升溫所需能量/AM1.5G光源照射30秒的能量)*100%。
此外，上述製備之Au-CuInS2奈米粒子相較於Au與CuInS2奈米粒子之混合物，兩者密封保存於甲苯中，室溫下放置經過六個月後，Au與CuInS2奈米粒子之混合物產生肉眼可見之沈澱物，而Au-CuInS2奈米粒子無肉眼可見之沈澱物。
實驗例3 以Au-CuInS2奈米粒子分離溶劑之試驗
將Au-CuInS2奈米粒子(0.5g)分別加入不同比例的甲基環己烷(MCH)及甲苯之溶劑混合物(1L)並置於雙頸玻璃瓶中，使用AM1.5G(1000W/m2)光源經過菲涅爾透鏡(幅度260mm×260mm，焦距200mm)照射至該溶劑混合物系統，使該該溶劑混合物系統達到4.5J/mL使其沸騰。亦以相同方式照射至不同比例的純溶劑混合物(即無添加Au-CuInS2奈米粒子之溶劑混合物系統)。兩種系統所測得之MCH氣體的莫耳分率相對於MCH液體的莫耳分率如第5圖所示，有添加Au-CuInS2奈米粒子之溶劑混合物系統測得較高之MCH氣體的莫耳分率，即其具有較佳之分離MCH溶劑之功效。
根據上述結果顯示，本發明之複合奈米粒子材料具有最佳的可見光吸收效率及加熱溶液效率，且本發明之組成物具有較佳分離溶劑之功效。

Claims (25)

  1. 一種複合奈米粒子材料，包含：複數黃銅礦系奈米核，其中，該黃銅礦系奈米核之材質係選自CuInS2、CuInSe2、Cu(In,Ga)S2、Cu(In,Ga)Se2、CuGaSe2、AgInS2、Cu2ZnSnS4及Cu2ZnSnSe4所組成群組的至少一種；以及複數金屬奈米子顆粒，係佈設於各該黃銅礦系奈米核之表面上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料，其中，該複合奈米粒子材料復包括分散劑，該分散劑係附著於該複合奈米粒子材料之表面上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料，其中，該複數金屬奈米子顆粒係鑲嵌於各該黃銅礦系奈米核之表面上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料，其中，該金屬奈米子顆粒係吸收500nm至600nm波長之可見光的金屬奈米子顆粒。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料，其中，該金屬奈米子顆粒係選自白金、銀及金奈米子顆粒所組成群組的至少一種。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料，其中，該黃銅礦系奈米核之粒徑大於該金屬奈米子顆粒之粒徑。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料，其 中，該金屬奈米子顆粒之粒徑範圍為2nm至8nm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料，其中，該黃銅礦系奈米核之粒徑範圍為5nm至15nm。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料，其粒徑範圍為7nm至23nm。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之複合奈米粒子材料，其中，該分散劑係選自檸檬酸鈉、胺基矽烷、巰基矽烷及巰乙酸所組成群組的至少一種。
  11. 如申請專利範圍第2項所述之複合奈米粒子材料其中，該分散劑係選自油胺、油醇及油酸所組成群組的至少一種。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料，其中，該黃銅礦系奈米核表面被該複數金屬奈米子顆粒覆蓋之表面積覆蓋率係54%至64%。
  13. 一種如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料的用途，其係用於加熱液體。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之用途，其中，該液體係海水。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之用途，其中，以1公升之該液體為基準，該複合奈米粒子材料之含量係500毫克至10000毫克。
  16. 如申請專利範圍第13項之用途，其中，該複合奈米粒子材料復包括分散劑，該分散劑係附著於該複合奈米粒子材料之表面上，且該液體係為包含一液態介質之 混合物，該液態介質之沸點低於該混合物中其他成分，且相較於該混合物中之其他成分，該分散劑的極性與該液態介質的極性相近。
  17. 一種如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料的用途，其係用於分離溶劑混合物。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之用途，其中，該溶劑混合物包含至少二種溶劑，且經加熱該溶劑混合物使其沸騰後，蒸餾分離出至少一種該溶劑。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之用途，其中，該溶劑混合物之加熱係包括：將如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料加入該溶劑混合物中；以及使光源經過聚焦元件後，照射該含有如申請專利範圍第1項所述之複合奈米粒子材料的溶劑混合物使其沸騰，以蒸餾分離出至少一種該溶劑。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之用途，其中，以1公升之該溶劑混合物為基準，該複合奈米粒子材料之含量係500毫克至10000毫克。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之用途，其中，該複合奈米粒子材料復包括分散劑，該分散劑係附著於該複合奈米粒子材料之表面上，且該分散劑之極性與該被蒸餾分離出之溶劑的極性相近。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之用途，其中，該光源係選自太陽光、太陽模擬光、燈泡及雷射光的至少一種。
  23. 如申請專利範圍第19項所述之用途，其中，該光源之波長係300nm到14000nm。
  24. 如申請專利範圍第19項所述之用途，其中，該光源之波長係500nm到850nm。
  25. 如申請專利範圍第19項所述之用途，其中，該聚焦元件係選自凸透鏡、拋物面鏡及柱面鏡所組成群組的至少一種。
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