CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法技术

CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法，涉及纳米复合结构材料。制备CuS种子层：通过磁控溅射CuS靶材的方法在FTO导电玻璃表面溅射一层CuS种子层；制备CoS空心纳米管阵列；制备CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料。通过磁控溅射辅助，结合简单水热合成的方法，制备出CuS纳米片包裹CoS空心纳米管的三维复合结构，该种结构形貌规则，且具有大的比表面积。作为对电极材料应用于量子点敏化太阳能电池中，表现出优异的电催化性能。该方法具有重复性高、操作简单等优点，并且结合了物理和化学手段，可大规模生产，为制备新型材料提供了一条新的思路。

【技术实现步骤摘要】
CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法
本专利技术涉及纳米复合结构材料，尤其是涉及CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法。
技术介绍
金属硫化物因其具有多种化学组成、多样的晶体结构、复杂的微观形貌，使得他们拥有良好的物理和化学特性，在电子器件领域有很好的应用前景，尤其是其作为对电极材料应用于量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)，因而广受人们关注。自从1954年(D.Reynolds,G.Leies,L.AntesandR.Marburger,Phys.Rev.,1954,96,533.)DCReynolds发现CdS/Cu2S异质结结构太阳能电池，CuS在光伏器件领域就作为一个重要的材料被人们探究。CuS具有较窄的带隙宽度(1.1-1.4eV)，较高的吸收系数(104cm-1)，是一种无毒环保低耗的材料，并且CuS具有不同的微观形貌，例如纳米片、纳米管、纳米棒等，是一种高效的QDSSCs的对电极材料。CoS因其在多硫化合物电解液中具有良好的电催化活性，是一种有前景的对电极材料。ZusingYang等(Yang,Z.,Chen,C.-Y.,Liu,C.-W.,Li,C.-L.,Chang,H.-T.,2011.QuantumDot-SensitizedSolarCellsFeaturingCuS/CoSElectrodesProvide4.1％Efficiency.AdvancedEnergyMaterials1,259-264.)制备了CuS/CoS的对电极材料，有效地提高了量子点敏化太阳能电池的效率。但是这种通过化学浴沉积(CBD)方法合成的CoS纳米片和CuS纳米线堆积的结构不够均匀，与电解液接触的活化面积不够大，会影响对电极材料的催化活性。因此，探寻简单绿色环保的方法制备出更加均匀、稳定、结构规则、比表面积大的对电极材料对量子点敏化太阳能电池的发展至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供所制备的CoS/CuS三维纳米复合结构的对电极材料具有规则的微观形貌、大比表面积、优良的催化活性等特点，且制备方法简单可控、绿色环保、重现性高的CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法。本专利技术包括以下步骤：1)制备CuS种子层：通过磁控溅射CuS靶材的方法在FTO导电玻璃表面溅射一层CuS种子层；2)制备CoS空心纳米管阵列；3)制备CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料。在步骤1)中，所述磁控溅射所需真空度可为1.0×103Pa，工作压强可为2.5Pa，Ar气流量可为100sccm，射频功率可为120W，溅射时间可为30min；所述FTO导电玻璃的尺寸可为2cm×1.5cm；所述FTO导电玻璃最好先依次放入丙酮，去离子水，无水乙醇中各超声清洗15min。在步骤2)中，所述制备CoS空心纳米管阵列的具体方法可为：(1)配制反应水溶液：所述反应水溶液含有脲和六水合氯化钴，将步骤1)所得CuS种子层的FTO导电玻璃置于盛有所述反应水溶液的反应釜中，反应后，冷却至室温，在FTO导电玻璃表面得到一层淡粉色薄膜，再冲洗，干燥后即得纳米线形貌的硫化钴水合物；在步骤2)第(1)部分中，所述脲的质量百分浓度可为6.25％，六水合氯化钴可采用0.15M六水合氯化钴；所述反应可在90℃的条件下反应3h；所述冲洗可采用去离子水冲洗。(2)配制0.01M的九水合硫化钠水溶液：将纳米线形貌的硫化钴水合物的FTO导电玻璃放入含有反应水溶液的反应釜中，反应后，冷却至室温，在FTO导电玻璃表面得到一层黑色薄膜，冲洗，干燥后即得空心纳米管状的硫化钴。在步骤2)第(2)部分中，所述反应可在180℃条件下反应10h；所述冲洗可用去离子水冲洗。在步骤3)中，所述制备CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的具体方法可为：将步骤2)所制备的空心纳米管状的硫化钴重复进行步骤1)的磁控溅射，在硫化钴的空心管上得到CuS的种子，配制反应水溶液，所述反应水溶液含有三水合硝酸铜和硫脲，将所述长有CuS种子的硫化钴的空心管放入含有所述反应水溶液的反应釜中进行水热反应后，冷却至室温，得到黑色薄膜，冲洗，干燥后得CuS纳米片包裹CoS空纳米管的三维纳米复合结构，即CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料；所述三水合硝酸铜可采用0.01M三水合硝酸铜，所述硫脲可采用0.05M的硫脲；所述冲洗可用去离子水冲洗；所述水热反应的温度可为150℃，水热反应的时间可为2～10h。本专利技术通过磁控溅射辅助，结合简单水热合成的方法，制备出CuS纳米片包裹CoS空心纳米管的三维复合结构，该种结构形貌规则，且具有大的比表面积。作为对电极材料应用于量子点敏化太阳能电池中，表现出优异的电催化性能。该方法具有重复性高、操作简单等优点，并且结合了物理和化学手段，可大规模生产，为制备新型材料提供了一条新的思路。附图说明图1为实施例1中空白的FTO玻璃表面的SEM(扫描电镜)正面图(放大倍数为3万倍)。在图1中，标尺为200nm。图2为实施例1中通过磁控溅射方法在FTO玻璃表面长有CuS种子层的SEM(扫描电镜)正面图(放大倍数为1万倍)。在图2中，标尺为1.00μm。图3为实施例1中长有CuS种子层的FTO玻璃在60mL含有6.25wt％的Urea(脲)和0.15MCo(Cl)2·.12O(六水合氯化钴)的水溶液，水热温度为90℃下反应3h得到的硫化钴的水合物的SEM(扫描电镜)正面图(放大倍数为1万倍)。在图3中，标尺为1.00μm。图4为实施例1中长有硫化钴的水合物的FTO玻璃在60mL0.01M的九水合硫化钠的水溶液中，水热温度为180℃下反应10h得到的CoS空心纳米管的SEM(扫描电镜)正面图(放大倍数为1.5万倍)。在图4中，标尺为1.00μm。图5为实施例1中长有CuS种子的CoS空心纳米管在60mL含有0.01M三水合硝酸铜和0.05M的硫脲的水溶液，水热温度为150℃下反应4h得到的CuS纳米片修饰CoS空心纳米管的三维纳米复合结构的SEM(扫描电镜)正面图(放大倍数为1.5万倍)。在图5中，标尺为2.00μm。图6为实施例1中长有CuS种子的CoS空心纳米管在60mL含有0.01M三水合硝酸铜和0.05M的硫脲的水溶液，水热温度为150℃下反应4h得到的CuS纳米片修饰CoS空心纳米管的三维纳米复合结构的SEM(扫描电镜)侧面图(放大倍数为8.00千倍)。在图6中，标尺为2.00μm。图7为实施例1中长有CuS种子的CoS空心纳米管在60mL含有0.01M三水合硝酸铜和0.05M的硫脲的水溶液，水热温度为150℃下反应4h得到的CuS纳米片修饰CoS空心纳米管三维纳米复合结构的TEM(透射电镜)正面图(放大倍数为4万倍)。在图7中，标尺为100nm。图8为实施例1中图7样品的局部放大图(放大倍数为80万倍)。在图8中，标尺为5nm。图9为实施例1中图7样品的TEM电子衍射环图。在图9中，标尺为51/nm。图10为实施例1中长有CuS种子的CoS空心纳米管在60mL含有0.01M三水合硝酸铜和0.05M的硫脲的水溶液，水热温度为150℃下反应4h得到的CuS纳米片修饰CoS空心纳米管三维复合结构材料的X射线衍射(XRD)表征结果。在图10中，横坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)制备CuS种子层：通过磁控溅射CuS靶材的方法在FTO导电玻璃表面溅射一层CuS种子层；2)制备CoS空心纳米管阵列；3)制备CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料。

【技术特征摘要】
1.CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)制备CuS种子层：通过磁控溅射CuS靶材的方法在FTO导电玻璃表面溅射一层CuS种子层；2)制备CoS空心纳米管阵列；3)制备CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料。2.如权利要求1所述CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述磁控溅射所需真空度为1.0×103Pa，工作压强为2.5Pa，Ar气流量为100sccm，射频功率为120W，溅射时间为30min。3.如权利要求1所述CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述FTO导电玻璃的尺寸为2cm×1.5cm；所述FTO导电玻璃先依次放入丙酮，去离子水，无水乙醇中各超声清洗15min。4.如权利要求1所述CoS/CuS三维立体纳米复合结构材料的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述制备CoS空心纳米管阵列的具体方法为：(1)配制反应水溶液：所述反应水溶液含有脲和六水合氯化钴，将步骤1)所得CuS种子层的FTO导电玻璃置于盛有所述反应水溶液的反应釜中，反应后，冷却至室温，在FTO导电玻璃表面得到一层淡粉色薄膜，再冲洗，干燥后即得纳米线形貌的硫化钴水合物；(2)配制0.01M的九水合硫化钠水溶液：将纳米线形貌的硫化钴水合物的FTO导电玻璃放入含有反应水溶液的反应釜中，反应后，冷却至室温，在FTO导电玻璃表面得到一层黑色薄膜，冲洗，干燥后即得空心纳米管状的硫化钴。5.如权利要求4所述CoS/CuS三维立体纳米复合结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶美丹，洪晓丹，刘群，高晓月，贺春锋，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35