一种通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法，以铅盐作为铅源，以廉价的硫粉为硫源，氧化镉为镉源，十八烯为溶剂，油酸为配体，采用热注法制备硫化镉量子点，通过控制硫化镉量子点的生长时间制备不同尺寸的硫化镉量子点。本发明专利技术制备的硫化铅量子点的吸收峰在888nm～1213nm，尺寸在2nm～4nm。本发明专利技术通过控制硫化镉的量子点生长控制其尺寸，经过阳离子交换，从而获得不同吸收波长的硫化铅量子点，该制备过程相对于采用TMS作为硫源的合成过程更为绿色环保，且制备成本低廉。

A method of preparing PbS quantum dots with different sizes by cation exchange method

The invention discloses a method for preparing lead sulfide quantum dots of different sizes by cation exchange method. Using lead salt as lead source, cheap sulfur powder as sulfur source, cadmium oxide as cadmium source, octadecene as solvent and oleic acid as ligand, cadmium sulfide quantum dots are prepared by hot injection method, and the growth time of cadmium sulfide quantum dots is controlled. Different sizes of CdS quantum dots were prepared. The absorption peak of the PbS quantum dots prepared by the invention is 888nm to 1213nm, and the size is from 2nm to 4nm. The method can control the size of CdS quantum dots by controlling the growth of CdS quantum dots, and through cation exchange, lead sulfide quantum dots with different absorption wavelengths can be obtained. The preparation process is greener than the synthesis process using TMS as sulfur source, and the preparation cost is low.

【技术实现步骤摘要】
一种通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法
本专利技术涉及一种通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法，硫化铅量子点的吸收峰在888nm～1213nm，尺寸为2nm～4nm。
技术介绍
硫化铅量子点是具有氯化钠立方岩盐相结构的直接带隙半导体材料，它的消光系数很大，目前广泛应用于量子点光伏薄膜电池器件中。高质量、尺寸大小可控的硫化铅量子点是在有机相(如：十八烯)中通过调控硫化铅量子点的成核和生长(通过控制反应物摩尔比、反应时间等实现)来达到的。为防止在高温状况下发生反应物的氧化以及有机溶剂的氧化，燃烧等，反应过程需要在氮气或者惰性气体等保护体系中完成。目前，硫化铅量子点的合成主要采用热注法完成，硫源的选取主要是活性很高的TMS，但是TMS的毒性、不稳定性、挥发性等致使其在空气中放置会导致活性骤降。此外，价格昂贵也使得合成成本提高；此外，硫化铅量子点的尺寸和单分散性对其应用也有重要的意义，通常量子点光伏薄膜电池器件吸收峰位置应该小于1100nm，过大的量子点尺寸会严重影响电池性能。考虑到以上问题，本专利技术采用价格低廉且稳定的硫粉作为硫源，通过热注射两步法合成硫化铅量子点，通过控制硫化镉的量子点生长控制其尺寸，经过阳离子交换，从而获得不同吸收波长的硫化铅量子点，该制备过程相对于采用TMS作为硫源的合成过程更为绿色环保，且制备成本低廉。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法，所制备的硫化铅量子点尺寸可控，制备成本低廉，制备工艺环保。本专利技术通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法，包括如下步骤：步骤1：将0.28g氧化镉、1.5ml油酸和18ml十八烯加入三颈瓶中，置于加热套中搅拌加热，在氩气的环境下缓慢升温至300℃，随着反应温度的升高，氧化镉与油酸发生反应，油酸作为配体与Cd2+结合形成阳离子前体，反应液的颜色从褐色变成淡黄色，获得镉的前驱体溶液；步骤2：将0.032g硫粉加热搅拌溶于10ml十八烯中，得到阴离子前体，待用；步骤3：当步骤1中反应液的温度达到280-300℃时，将步骤2配制的阴离子前体加入镉的前驱体溶液中，冰水浴，通过控制反应时间(1-5分钟)制备不同尺寸的硫化镉量子点；步骤4：依次使用乙醇和正丁胺的混合液(4mL+0.1mL，正丁胺的加入是使脂肪酸和羧酸盐更好的融入到乙醇相中以达到去除的目的)、正己烷和乙醇的混合液(1mL+4mL，进一步对硫化镉量子点进行沉淀分离)、正己烷、三氯甲烷和丙酮的混合液(1mL+0.1mL+3mL，氯仿的加入是为了将十八烯溶液保留在极性丙酮相中，以达到去除的目的)、正己烷和丙酮的混合液(实现硫化镉量子点与溶剂的彻底分离)对步骤3制备的硫化镉量子点洗涤并离心(4000转/分钟，离心10分钟)，干燥后得到硫化镉粉末；步骤5：将步骤4获得的硫化镉粉末加热溶于十八烯中，配制成30-40mg/ml的硫源溶液；步骤6：将铅盐和油胺混合溶液加入三颈瓶中，置于加热套中搅拌加热至80℃并进行抽真空除水，随后破除真空环境通入氩气，升温至140℃并保温半个小时，得到白色乳胶状溶液，即为铅源溶液；步骤7：将步骤5配制的硫源溶液迅速注入到步骤6得到的铅源溶液中，反应液的颜色立即从乳白色变为黑色，关闭加热源，在反应液温度降至70℃、40℃时分别加入甲苯、油酸用以溶解没反应完全的铅盐和量子点表面结合力较弱的油胺配体，继续降温冷却至室温后加入丙酮进行分离提纯，得到的沉淀即为硫化铅量子点，溶于甲苯中储存。步骤6中，所述铅盐为硝酸铅或氯化铅。步骤7中，铅源和硫源的比例以Pb/S摩尔比计为2：1。本专利技术制备的硫化铅量子点的吸收峰在888nm～1213nm，尺寸为2nm～4nm。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术采用硫粉取代了价格昂贵、易挥发、有毒性、稳定性差的TMS作为硫源。2、本专利技术方法使用原料来源广泛成本低，设备工艺简单，可操作性强。3、本专利技术可以通过控制硫化镉量子点浓度的改变合成不同尺寸的硫化铅量子点。4、本专利技术可以通过对不同尺寸的硫化镉交换合成不同尺寸的硫化铅量子点。附图说明图1是实施例1中硫化镉量子点的清洗具体过程，底部溶液为离心之后离心管底部所剩溶液。图2是实施例1获得的硫化镉量子点的吸收光谱，吸收峰在374nm的位置。图3是实施例1获得的硫化铅量子点的吸收光谱，吸收峰在888nm的位置。图4是实施例2获得的硫化铅量子点的吸收光谱，吸收峰在1020nm的位置。图5是实施例3获得的硫化镉量子点的吸收光谱，吸收峰在395nm的位置。图6是实施例3获得的硫化铅量子点的吸收光谱，吸收峰在982nm的位置。图7是实施例4获得的硫化铅量子点的吸收光谱，吸收峰在1213nm的位置。图8是实施例1获得的硫化铅量子点的高分辨透射电子显微图。图9是实施例2获得的硫化铅量子点的高分辨透射电子显微图。图10是实施例4获得的硫化铅量子点的高分辨透射电子显微图。具体实施方式实施例1：本实施例中通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法如下：1、将0.28g氧化镉、1.5ml油酸和18ml十八烯加入三颈瓶中，置于加热套中搅拌加热，在氩气的环境下缓慢升温至300℃，随着反应温度的升高，氧化镉与油酸发生反应，油酸作为配体与Cd2+结合形成阳离子前体，反应液的颜色从褐色变成淡黄色，获得镉的前驱体溶液；2、将0.032g硫粉加热搅拌溶于10ml十八烯中，得到阴离子前体，待用；3、当步骤1中反应液的温度达到280-300℃时，将步骤2配制的阴离子前体加入镉的前驱体溶液中，反应1分钟后，采用冰水浴快冷至室温，制备获得硫化镉量子点；4、依次使用乙醇和正丁胺的混合液(4mL+0.1mL)、正己烷和乙醇的混合液(1mL+4mL)、正己烷、三氯甲烷和丙酮的混合液(1mL+0.1mL+3mL)、正己烷和丙酮的混合液对步骤3制备的硫化镉量子点清洗提纯，离心并干燥后得到吸收峰在374nm的硫化镉量子点粉末；离心转速为4000转/分钟，离心时间为10分钟。5、将步骤4获得的硫化镉粉末加热溶于十八烯中，配制成30mg/ml的硫源溶液；6、以铅源和硫源中Pb/S＝2的摩尔比将铅盐和油胺混合溶液加入三颈瓶中，置于加热套中搅拌加热至80℃并进行抽真空除水半小时，随后破除真空环境通入氩气，升温至140℃并保温半个小时，得到白色乳胶状溶液，即为铅源溶液；7、将步骤5配制的硫源溶液迅速注入到步骤6得到的铅源溶液中，反应液的颜色立即从乳白色变为黑色，关闭加热源，在反应液温度降至70℃、40℃时分别加入甲苯、油酸用以溶解没反应完全的铅盐和量子点表面结合力较弱的油胺配体，继续降温冷却至室温后加入丙酮进行分离提纯，得到的沉淀即为硫化铅量子点，吸收峰位于888nm处，溶于甲苯中储存；所述铅盐为硝酸铅。实施例2：本实施例中通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法如下：步骤1-4、同实施例1。5、将步骤4获得的硫化镉粉末加热溶于十八烯中，配制成40mg/ml的硫源溶液；6、以铅源和硫源中Pb/S＝2的摩尔比将铅盐和油胺混合溶液加入三颈瓶中，置于加热套中搅拌加热至80℃并进行抽真空除水半小时，随后破除真空环境通入氩气，升温至140℃并保温半个小时，得到白色乳胶状溶液，即为铅源溶液；7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：将0.28g氧化镉、1.5ml油酸和18ml十八烯加入三颈瓶中，置于加热套中搅拌加热，在氩气的环境下缓慢升温至300℃，随着反应温度的升高，反应液的颜色从褐色变成淡黄色，获得镉的前驱体溶液；步骤2：将0.032g硫粉加热搅拌溶于10ml十八烯中，得到阴离子前体，待用；步骤3：当步骤1中反应液的温度达到280‑300℃时，将步骤2配制的阴离子前体加入镉的前驱体溶液中，冰水浴，通过控制反应时间制备不同尺寸的硫化镉量子点；步骤4：依次使用乙醇和正丁胺的混合液、正己烷和乙醇的混合液、正己烷、三氯甲烷和丙酮的混合液、正己烷和丙酮的混合液对步骤3制备的硫化镉量子点洗涤并离心，干燥后得到硫化镉粉末；步骤5：将步骤4获得的硫化镉粉末加热溶于十八烯中，配制成30‑40mg/ml的硫源溶液；步骤6：将铅盐和油胺混合溶液加入三颈瓶中，置于加热套中搅拌加热至80℃并进行抽真空除水，随后破除真空环境通入氩气，升温至140℃并保温半个小时，得到白色乳胶状溶液，即为铅源溶液；步骤7：将步骤5配制的硫源溶液迅速注入到步骤6得到的铅源溶液中，反应液的颜色立即从乳白色变为黑色，关闭加热源，在反应液温度降至70℃、40℃时分别加入甲苯、油酸用以溶解没反应完全的铅盐和量子点表面结合力较弱的油胺配体，继续降温冷却至室温后加入丙酮进行分离提纯，得到的沉淀即为硫化铅量子点，溶于甲苯中储存。...

【技术特征摘要】
1.一种通过阳离子交换法制备不同尺寸硫化铅量子点的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：将0.28g氧化镉、1.5ml油酸和18ml十八烯加入三颈瓶中，置于加热套中搅拌加热，在氩气的环境下缓慢升温至300℃，随着反应温度的升高，反应液的颜色从褐色变成淡黄色，获得镉的前驱体溶液；步骤2：将0.032g硫粉加热搅拌溶于10ml十八烯中，得到阴离子前体，待用；步骤3：当步骤1中反应液的温度达到280-300℃时，将步骤2配制的阴离子前体加入镉的前驱体溶液中，冰水浴，通过控制反应时间制备不同尺寸的硫化镉量子点；步骤4：依次使用乙醇和正丁胺的混合液、正己烷和乙醇的混合液、正己烷、三氯甲烷和丙酮的混合液、正己烷和丙酮的混合液对步骤3制备的硫化镉量子点洗涤并离心，干燥后得到硫化镉粉末；步骤5：将步骤4获得的硫化镉粉末加热溶于十八烯中，配制成30-40mg/ml的硫源溶液；步骤6：将铅盐和油胺混合溶液加入三颈瓶中，置...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋阳，宋自航，李欢，陈桃桃，朱汉文，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34