高质量Cu7S4纳米晶的可控制备及其光热性能的研究

摘要

近年来，新型胶体半导体纳米晶的制备和性质研究受到研究者的广泛关注，并且成为材料科学研究的热点方向。纳米材料的性能影响其应用，而材料的性能往往与材料的组成、尺寸、形貌和晶体构型等因素有关。因此，探究通过简单的合成方法制备多功能的高质量的纳米半导体材料具有非常重要的现实意义。硫化铜半导体纳米材料是一种重要的p-型半导体纳米材料，在太阳能电池、锂离子电池、有机污染物的降解、光热领域有着广泛的应用前景。目前，研究人员多使用前驱体和其他相关组分来实现对单分散硫化铜纳米晶的控制合成，但是很少有关于前驱体反应的机理和反应产物的报道。理解前驱体中不同分子种类的作用对于控制合成硫化铜纳米晶尺寸、形貌、尺寸分布、性能和最终的应用有很重要的意义。论文的主要成果如下：
　　（1）采用一种简单快速的方法制备了高质量单分散Cu7S4纳米晶，通过改变制备前驱体ODE-S溶液时的加热温度和加热时间，实现了Cu7S4纳米晶形貌和尺寸的可控合成。进一步通过控制合成温度、反应时间、硫铜比例调控Cu7S4纳米晶的尺寸和形貌。通过紫外-可见-近红外吸收光谱对产物进行了表征，结果表明我们合成的单分散 Cu7S4纳米晶在近红外区有明显的尺寸依赖的局域表面等离子体共振（LSPR）的光学性质。其光吸收性能优异，未来可以作为一种优良的光吸收材料使用。
　　（2）通过核磁共振谱和光谱等手段研究了前驱体ODE-S溶液在反应过程中结构的变化，研究结果表明前驱体 ODE-S溶液会在制备温度高于159℃下发生加成反应，生成一种链状的多硫-烷基加成物（RSxR），这种加成物类似于硫醇类配体，是一种非常强的配体，在硫醇类配体和油胺配体共同作用下，纳米晶核各个方向的生长都受到限制，导致 Cu7S4纳米晶的各向同性生长而得到球形纳米晶；硫在温度低于159℃的条件下，主要存在形式是 S8环，并没有和十八烯发生反应，在这种情况下油胺作为配体优先吸附到低能面（100）面，限制了晶核（100）方向的生长，使得纳米晶核沿[0KL]取向生长而得到盘状Cu7S4纳米晶。相比较ODE-S溶液得到高质量单分散的硫化铜纳米晶，利用OM-S溶液做硫源则得到了多分散、不均一的纳米晶。光学测试结果表明单分散的纳米晶比多分散有更强的光吸收能力。
　　（3）进一步利用所制备的单分散硫化铜纳米材料进行光热水蒸发的实验，研究其光热性能。研究发现单分散尺寸均一的纳米颗粒比多分散的纳米粒子显示更高的光热水蒸发效率而纳米盘的光热性能优于纳米球；当纳米粒子在蒸发表面形成致密的膜，光热水蒸发效率可以大大提高，其最大蒸发效率可以达到77.1％。这些高质量的Cu7S4纳米材料可以作为一种有前途的光吸收材料，可以有效提高光热水蒸发效率，从而有利于节约能源。

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1 绪论

1.1 胶体纳米晶

1.2 胶体半导体纳米晶的特有性质

1.3 胶体半导体纳米晶的合成

1.4 硫化铜纳米晶的合成与应用

1.5 本文的立题思想及研究内容

2 高质量Cu7S4纳米晶的可控合成及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 Cu7S4纳米晶的可控制备及其表征

2.4 Cu7S4纳米晶的制备条件优化

2.5 Cu7S4纳米晶光学性能的研究

2.6 小结

3 前驱体ODE-S溶液的结构表征及形貌控制机理的研究

3.1 引言

3.2 实验内容

3.3 实验结果与讨论

3.4 小结

4 硫化铜纳米晶的光热性能的研究

4.1 引言

4.2 实验内容

4.3 实验结果与讨论

4.4 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表论文及著作情况