專利名稱：一種制備中空太陽能吸收材料CuInS₂的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)材料制備領(lǐng)域，尤其是涉及一種通過模板法制備中空太陽能吸收材料01 的方法。
背景技術(shù)：
太陽能作為一種人類取之不盡、用之不竭的可再生和清潔能源，日益得到重視。而基于光伏效應(yīng)的太陽能電池的研制和開發(fā)是近年來發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域之一。 太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光電材料吸收光能后發(fā)生的光電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的，因此在光伏系統(tǒng)中捕獲和轉(zhuǎn)化太陽能的光吸收轉(zhuǎn)化材料研制是關(guān)鍵的技術(shù)問題之一。盡管具有高的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的硅系太陽能電池在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但其居高不下成本及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響了其進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。 因此，開發(fā)新型的光伏太陽能電池材料和工藝已引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。盡管Cdk等 II-VI族半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)得到廣泛的研究，但由于CcUHg和1 等重金屬元素對環(huán)境不友好，歐洲等明確禁止將它們應(yīng)用于電子元器件，其應(yīng)用也受到限制。而與II-VI族半導(dǎo)體材料相似，01 也是一類直接帶隙半導(dǎo)體材料且具有可調(diào)控的光電性能。因該類材料吸收光譜與太陽光譜匹配性高、具有高的吸收效率(a = SXlO5Cnr1)、無光致衰退效應(yīng)和較低的制備成本等特點(diǎn)而成為目前極具潛力的新型太陽能電池材料。光催化是除了通過太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化外另一種重要的利用太陽能的途徑。光催化主要包括光催化合成(如，光解水制氫、光催化0)2制甲醇等)、光降解兩大類。而光吸收范圍和比表面積的大小是影響光催化效果的重要因素。01 類材料由于吸收光譜與太陽光譜匹配性高、吸收效率高十分適合做為光催化體系中光吸收材料。中空和多孔結(jié)構(gòu)材料如微孔分子篩、介孔二氧化硅、富勒烯C60及其他的無機(jī)中空納米結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)吸引了各國學(xué)者很大的關(guān)注，這是由于其比表面積大、中空和多孔的特性及本身所具有的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在催化、藥物運(yùn)輸、輕質(zhì)填料、光子晶體、生物標(biāo)記及隔音材料等領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用。模板方法目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微孔、介孔和中空材料的合成，這些模板包括表面活性劑液晶材料、聚合物微球、無機(jī)微球等。使用模板法可以使中空或多孔結(jié)構(gòu)從模板所具有的結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行復(fù)制。另外，模板如有機(jī)胺、PS或 PMMA高分子微球及無機(jī)的氧化硅和碳微球等都可以方便地利用物理和化學(xué)方法從雜化材料中去除。盡管中空的材料目前已被大量的制備，然而，與單質(zhì)和二元化合物相比，采用模板犧牲法合成三元硫化物的研究尚未見報(bào)道。在采用模板犧牲法制備CiiA4十八面體中空半導(dǎo)體材料、中空Cu2_je晶體二元硫?qū)倩衔锖腿軇嶂苽銫dr^2的基礎(chǔ)上，成功的合成了中空的01 納米材料。該材料可廣泛應(yīng)用于太陽能電池和光催化系統(tǒng)作為光吸收材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種以氧化亞銅為自犧牲模板的模板犧牲合成法。該方法エ藝簡単，生產(chǎn)成本低，所得的中空的0! 納米 材料能進(jìn)ー步滿足エ業(yè)需求。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)—種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，該方法以銦源、硫源為前驅(qū)物，以具 有特定形貌的氧化亞銅為自犧牲模板為銅源，通過選擇合適的溶劑和表面活性剤、控制ー 定的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間即可制備出01 中空納米材料，具體包括以下步驟(1)將銦鹽、硫源和助劑加入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入溶剤，配成銦鹽濃 度為0. 01-0. 5M的溶液，攪拌或超聲溶解；(2)稱取與銦鹽相等摩爾量的氧化亞銅模板加入到上述溶液中，攪拌或超聲均勻， 制成反應(yīng)前驅(qū)液；(3)將反應(yīng)釜密封，控制溫度140-200°c，反應(yīng)時(shí)間I-M小時(shí)；反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)釜 自然冷卻到室溫，將產(chǎn)物過濾或離心分離，用無水乙醇洗滌數(shù)次，真空抽干，即獲得01 中空材料。步驟(1)中所述的銦鹽、硫源和助劑的摩爾比為1G-16) (0.5-3)。步驟(1)中所述的銦鹽為氯化銦、硝酸銦或硫酸銦。步驟(1)中所述的硫源為硫脲、ニ硫化碳或硫代乙酰胺的可以釋放出硫離子的化 合物或單質(zhì)。步驟(1)中所述的助劑為可溶性高分子，包括聚乙烯吡咯烷酮或市售的P123。步驟(1)中所述的溶劑為乙醇、丙醇或丁醇。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明操作步驟簡単，反應(yīng)迅速，成本低廉，能滿足エ業(yè)化要求， 能夠通過選擇合適的模板控制中空材料的形貌滿足不同的需求，制備的01 中空納米材 料可在光催化及太陽能光伏電池上有很好的應(yīng)用；同時(shí)該方法為制備其他多元化合物中空 材料提供了思路。


圖1為實(shí)施例1制得產(chǎn)品的XRD衍射圖；圖2為實(shí)施例1制得產(chǎn)品的能量色散X射線熒光(EDX)圖；圖3為實(shí)施例1制得產(chǎn)品的掃描電鏡照片；圖4為實(shí)施例1制得產(chǎn)品的透射電鏡照片；圖5為實(shí)施例2制得產(chǎn)品的透射電鏡照片；圖6為實(shí)施例3制得產(chǎn)品的透射電鏡照片；圖7為實(shí)施例4制得產(chǎn)品的透射電鏡照片；圖8為實(shí)施例5制得產(chǎn)品的透射電鏡照片；圖9為實(shí)施例6制得產(chǎn)品的透射電鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1(1)按物質(zhì)的量份計(jì)，將4份硫服、1份的銦鹽和0.68份聚乙烯吡咯烷酮和乙醇加入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后將反應(yīng)釜密封，放入180°C的烘箱中，反應(yīng)時(shí)間12小時(shí)。(2)反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，將產(chǎn)物過濾，用無水乙醇洗滌數(shù)次，真空抽干，即獲得中空太陽能吸收材料Cdr^2。圖1-2是得到的中空太陽能吸收材料01 的X射線衍射(XRD)圖譜，顯示為純相的CiJr^2。圖3-4是所的樣品的掃描電鏡(SEM)和透射電鏡照片(TEM)。由圖可見，中空太陽能吸收材料01 呈中空的立方體。實(shí)施例2步驟同實(shí)施例1，不同之處是將實(shí)施例1中的硫源為硫脲，反應(yīng)溫度為140°C，反應(yīng)時(shí)間為48小時(shí)即獲得中空太陽能吸收材料01 納米材料，圖5為制得的01 納米材料的透射電鏡照片，從照片上可以看出制備得到的材料為中空材料。實(shí)施例3步驟同實(shí)施例1，不同之處是將實(shí)施例1中的醇類為丙醇，硫源為二硫化碳，即獲得中空太陽能吸收材料01 納米材料，圖6為制得的01 納米材料的透射電鏡照片， 從照片上可以看出制備得到的材料為方形中空材料。實(shí)施例4步驟同實(shí)施例1，不同之處是將實(shí)施例1中的醇類為丁醇，硫源為16份二硫化碳， 即獲得中空太陽能吸收材料Cdr^2納米材料，圖7為制得的01 納米材料的透射電鏡照片，從照片上可以看出制備得到的材料為球形多孔材料。實(shí)施例5步驟同實(shí)施例1，不同之處是將實(shí)施例1中的醇類為乙醇，硫源為硫代乙酰胺，即獲得中空太陽能吸收材料01 納米材料，圖8為制得的01 納米材料的透射電鏡照片，從照片上可以看出制備得到的材料為中空材料。實(shí)施例6步驟同實(shí)施例1，不同之處是將實(shí)施例1中聚乙烯吡咯烷酮為3份的，即獲得中空太陽能吸收材料01 納米材料，圖9為制得的01 納米材料的透射電鏡照片，從照片上可以看出制備得到的材料為中空材料。實(shí)施例7一種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，該方法以銦源、硫源為前驅(qū)物，以具有特定形貌的氧化亞銅為自犧牲模板為銅源，通過選擇合適的溶劑和表面活性劑、控制一定的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間即可制備出01 中空納米材料，具體包括以下步驟(1)將氯化銦、硫脲和聚乙烯吡咯烷酮按摩爾比為1 4 0.5加入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入乙醇溶劑，配成銦鹽濃度為0. OlM的溶液，攪拌溶解；(2)稱取與氯化銦相等摩爾量的氧化亞銅模板加入到上述溶液中，攪拌均勻，制成反應(yīng)前驅(qū)液；(3)將反應(yīng)釜密封，控制溫度140°C，反應(yīng)時(shí)間對小時(shí)；反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，將產(chǎn)物過濾或離心分離，用無水乙醇洗滌數(shù)次，真空抽干，即獲得01 中空材料。實(shí)施例8一種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，該方法以銦源、硫源為前驅(qū)物，以具有特定形貌的氧化亞銅為自犧牲模板為銅源，通過選擇合適的溶劑和表面活性劑、控制一定的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間即可制備出01 中空納米材料，具體包括以下步驟(1)將硝酸銦、二硫化碳和聚乙烯吡咯烷酮按摩爾比為1 6 1加入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入丙醇溶劑，配成硝酸銦濃度為0. 2M的溶液，超聲溶解；(2)稱取與硝酸銦相等摩爾量的氧化亞銅模板加入到上述溶液中，利用超聲混合均勻，制成反應(yīng)前驅(qū)液；(3)將反應(yīng)釜密封，控制溫度160°C，反應(yīng)時(shí)間12小時(shí)；反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，將產(chǎn)物過濾或離心分離，用無水乙醇洗滌數(shù)次，真空抽干，即獲得01 中空材料。實(shí)施例9一種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，該方法以銦源、硫源為前驅(qū)物，以具有特定形貌的氧化亞銅為自犧牲模板為銅源，通過選擇合適的溶劑和表面活性劑、控制一定的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間即可制備出01 中空納米材料，具體包括以下步驟(1)將硫酸銦、硫代乙酰胺和P123加入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入溶劑，配成硫酸銦濃度為0. 5M的溶液，超聲溶解；(2)稱取與硫酸銦相等摩爾量的氧化亞銅模板加入到上述溶液中，利用超聲混合均勻，制成反應(yīng)前驅(qū)液；(3)將反應(yīng)釜密封，控制溫度200°C，反應(yīng)時(shí)間1小時(shí)；反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，將產(chǎn)物過濾或離心分離，用無水乙醇洗滌數(shù)次，真空抽干，即獲得01 中空材料。
權(quán)利要求
1.一種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)將銦鹽、硫源和助劑加入到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后加入溶劑，配成銦鹽濃度為 0. 01-0. 5M的溶液，攪拌或超聲溶解；(2)稱取與銦鹽相等摩爾量的氧化亞銅模板加入到上述溶液中，攪拌或超聲均勻，制成反應(yīng)前驅(qū)液；(3)將反應(yīng)釜密封，控制溫度140-200°C，反應(yīng)時(shí)間I-M小時(shí)；反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，將產(chǎn)物過濾或離心分離，用無水乙醇洗滌數(shù)次，真空抽干，即獲得01 中空材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，其特征在于， 步驟(1)中所述的銦鹽、硫源和助劑的摩爾比為1 (4-16) (0.5-3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，其特征在于， 步驟(1)中所述的銦鹽為氯化銦、硝酸銦或硫酸銦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，其特征在于， 步驟(1)中所述的硫源為硫脲、二硫化碳或硫代乙酰胺的可以釋放出硫離子的化合物或單質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，其特征在于， 步驟(1)中所述的助劑為可溶性高分子，包括聚乙烯吡咯烷酮或市售的P123。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空太陽能吸收材料01 的方法，其特征在于， 步驟(1)中所述的溶劑為乙醇、丙醇或丁醇。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備中空太陽能吸收材料CuInS2的方法，該方法銦源、硫源等為前驅(qū)物，以具有特定形貌——氧化亞銅為自犧牲模板和銅源，通過選擇合適的溶劑和表面活性劑、控制一定的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間即可制備出CuInS2中空納米材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明操作步驟簡單，反應(yīng)迅速，成本低廉，能滿足工業(yè)化要求，制備的CuInS2中空納米材料可在光催化及太陽能光伏電池上有很好的應(yīng)用。
文檔編號B82Y40/00GK102557116SQ20111039719
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者宰建陶, 徐淼, 李波, 沈杰, 肖映林, 錢雪峰, 陳虹錦, 韓倩琰, 黃崇文 申請人:上海交通大學(xué)