一种光吸收增强的球状CuS亚微米材料及其制备方法
技术领域
本发明属于微纳米功能材料科学领域，具体涉及一种光吸收增强的球状CuS亚微米材料及其制备方法。
背景技术
硫化铜(CuS)是一种p型半导体材料，其光子带隙值约为1.2~2.0eV，因此，其在可见光及近红外光区域都具有良好的光吸收性能。纳米或微米级的CuS由于其独特的微结构和尺寸效应会表现出特殊的光学、电学和热学等性能，可广泛应用于光吸收、光热转换、光催化以及太阳能电池等领域，因此，对CuS微纳米材料的合成及性能研究也成为国内外材料科学家关注的焦点之一。
水热合成法是反应物在水溶液或蒸气等流体气氛中，通过在特定密闭容器(高压反应釜)里所提供的高温高压环境下进行化学反应的合成方法；由于水热合成法制备得到的纳米粒子纯度高、晶型好，且整个制备过程相对简单、耗费成本相对低廉，因此，利用水热合成来制备CuS纳米材料受到研究者们极大的青睐。Fang等人(J Fang, et al. SolarEnergy Materials and Solar Cells, 2018, 185: 456-463)利用水热合成制备出微纳米级的CuS球状结构材料，由于球状结构的比表面积相对较大，因此可以有效增强其对太阳光的吸收性能；但是在反应过程中未添加任何表面活性剂，且所使用的浓度相对较高，这就导致所制备材料有一定的团聚现象，这可能会降低其对太阳光的吸收能力。因此还需要对制备方法进行改进，以制备得到比表面积大、结构分布均匀的球状CuS微纳米材料用来增强其对太阳光的吸收性能。所以，探索更加优化的、操作方便的以及能量消耗少的球状CuS微纳米材料的制备方法就显得非常有意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光吸收增强的球状CuS亚微米材料及其制备方法，该球状结构材料可用于对太阳光的高效吸收利用领域。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光吸收增强的球状CuS亚微米材料及其制备方法，其特征在于按如下步骤进行：
（1）分别称取硫酸铜和硫代硫酸钠于烧杯中，加入去离子水并充分搅拌，然后加入一定量的表面活性剂PVP，继续搅拌使它们完全溶解；
（2）将充分溶解后的溶液转移至100ml的聚四氟乙烯反应釜中，并在一定的温度和时间下进行水热反应；
（3）将所得沉淀物取出，经离心分离后，用去离子水反复洗涤离心，然后在恒温干燥箱中干燥4~8h，即可得到球状的CuS亚微米材料。
优选地，在步骤（1）中，所述的硫酸铜和硫代硫酸钠的摩尔量比为1：1，硫酸铜与去离子水的摩尔体积比为5mmol：60mL。
优选地，在步骤（1）中，所加入PVP与去离子水的质量体积比为(0.25~0.75)g：60mL。
优选地，在步骤（2）中，所述的反应温度为120℃~160℃，反应时间为8~12h。
优选地，在步骤（3）中，所述洗涤、离心为：将反应产物用去离子水洗涤后离心，并重复该洗涤、离心操作3~5次。
优选地，在步骤（3）中，所述沉淀物干燥温度为60~90℃。
与现有技术相比，本发明利用简单的水热反应法制备出比表面积大、结构分布均匀的球状CuS亚微米材料，用于改善对太阳光的吸收性能，为高效吸收和利用太阳能提供了一种简单可行的方法，具有以下优点：
（1）球状结构CuS材料的制备工艺简单，通过改变反应物的加入量及反应容器的大小可以得到不同量的亚微米结构材料，适合于工业化生产。
（2）通过控制水热反应的时间及温度可以使制备出的CuS亚微米材料的结晶度较高，通过改变表面活性剂的加入量，可以使材料具有较大的比表面积，从而增强材料对太阳光的吸收性能，为高效吸收和转换利用太阳能提供了更大的可能性。
附图说明
图1是本发明实例1中制备得到CuS亚微米材料的X射线衍射谱图；
图2是本发明实例2中制备得到CuS亚微米材料的扫描电镜图片；
图3是本发明实例2中制备得到CuS亚微米材料的和N2吸附-脱附曲线；
图4是本发明实例1和2中制备得到CuS亚微米材料的紫外-可见-近红外吸收光谱曲线。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步详细完整的描述。以下的实施例是对本发明的进一步说明，而不限制本发明的范围。
实施例1
（1）分别称取1.25g硫酸铜和1.24g硫代硫酸钠于烧杯中，加入60ml去离子水并充分搅拌，然后加入0.5gPVP，继续搅拌使它们完全溶解；
（2）将充分溶解后的溶液转移至100ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，设定干燥箱的温度为120℃进行水热反应，设定反应时间为12h；
（3）反应结束后，将沉淀物用去离子水离心洗涤，重复离心洗涤3次，然后在90℃干燥箱中干燥4小时得到最终的产物。
参见附图1，按实施例1所述方法制得的CuS亚微米材料的X射线衍射谱图，图中谱线峰位与JCPDS标准谱图（06-0464）的所有衍射晶面一一对应，表明所制备的样品为六方晶系的CuS产物，衍射峰尖锐且峰值高，说明样品结晶度高。
实施例2
（1）分别称取1.25g硫酸铜和1.24g硫代硫酸钠于烧杯中，加入60ml去离子水并充分搅拌，然后加入0.5gPVP，继续搅拌使它们完全溶解；
（2）将充分溶解后的溶液转移至100ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，设定干燥箱的温度为160℃进行水热反应，设定反应时间为12h；
（3）反应结束后，将沉淀物用去离子水离心洗涤，重复离心洗涤3次，然后在90℃干燥箱中干燥4小时得到最终的产物。
参见附图2，按实施例2所述方法制得的CuS亚微米材料的SEM照片，从图中可以看到所得材料均呈现球状结构形貌，球状结构的大小在1μm左右，尺寸分布比较均匀。
参见附图3，按实施例2所述方法制得的CuS亚微米材料的N2吸附-脱附曲线，所得球状结构材料的比表面积为34.93m2/g，相比于未添加表面活性剂PVP所制备CuS材料的比表面积为20.90m2/g，材料的比表面积增大幅度非常显著，高达67.1%，较大的比表面积能够为吸收太阳光能提供更多的活性位点，从而提高光吸收和利用效率。
参见附图4，按实施例1和2所述方法制得的CuS亚微米材料的紫外-可见-近红外吸收光谱曲线。从图中可以看到，相比于去离子水，所制备材料在整个测试波段都具有良好的光吸收性能，并且随着反应温度的升高，光吸收性能增强。此时，经过积分计算可以得到材料的加权太阳能吸收分数分别为85.1%和93.3%，相比于未添加表面活性剂PVP所制备CuS材料的加权太阳能吸收分数分别为77.8%和82.4%，可以知道，添加表面活性剂PVP后，所制备CuS材料的光吸收性能进一步增强。
实施例3
（1）分别称取1.25g硫酸铜和1.24g硫代硫酸钠于烧杯中，加入60ml去离子水并充分搅拌，然后加入0.25gPVP，继续搅拌使它们完全溶解；
（2）将充分溶解后的溶液转移至100ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，设定干燥箱的温度为120℃进行水热反应，设定反应时间为12h；
（3）反应结束后，将沉淀物用去离子水离心洗涤，重复离心洗涤3次，然后在90℃干燥箱中干燥4小时得到最终的产物。
按实施例3所述方法制得的CuS亚微米材料，用XRD测试为六方晶系的CuS产物，用SEM观察为球状结构的亚微米材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
