一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料及制备方法及光电化学电池技术

本发明专利技术公开一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料，包括核体和包覆在核体外的壳体，所述核体为CuGaS2，所述壳体为CdS。通过不同的材料来制备量子点，形成核壳的包覆结构，从而实现更高的吸收系数。本申请还提供一种采用两步法合成上述CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的方法，以及用该核壳结构量子点材料制备的光电化学电池。

A CuGaS2/CdS Core-Shell Quantum Dot Material and Its Preparation Method and Photoelectrochemical Cells

【技术实现步骤摘要】
一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料及制备方法及光电化学电池
本专利技术涉及量子点材料领域，具体涉及一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料及制备方法及光电化学电池。
技术介绍
量子点的尺寸与光学性质的相关性掀起了材料科学领域内的研究热潮。研究者们利用量子点这一特性来设计并合成尺寸、形貌和化学组分均可控的量子点，并精确调控量子点的光学性质以达到预期目的。近年来，研究者们通过实验已实现各类具有优异光吸收，尺寸相关光致发光，高荧光量子点产率以及高稳定性的量子点的可控合成。这些量子点展现出的优异光学特性在光电器件和生物医疗方面具有极大的应用潜力。相比于单一组分的核量子点来说，核壳结构量子点具有更高的光学和化学稳定性。其中，CGS(CuGaS2)量子点是I-III-VI2量子点的一个重要成员，具有出色的光捕获能力，是太阳能电池等光电器件的非常有前景的候选材料。问题在于，现有的以ZnS制备的CGS/ZnS核壳结构量子点仅能够吸收主要在紫外区域的光，并且显示出覆盖整个可见光范围的宽发射光谱，而对于其他频谱光的吸收率并不够理想，限制了该材料在需要宽光吸收的太阳能转换器件上的应用。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料，通过不同的材质来制备量子点，形成核壳的包覆结构，从而实现更高的吸收系数。本申请还提供一种采用两步法合成上述CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的方法，以及用该核壳结构量子点材料制备的光电化学电池。为解决以上技术问题，本专利技术提供的技术方案是一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料，包括核体和包覆在核体外的壳体，所述内核为CuGaS2，所述壳体为CdS。优选的，所述核体的直径在3.4-4.6nm，所述壳体的厚度为1.5-2.5nm。优选的，所述壳体厚度对应于6个单层CdS壳。本申请还提供一种核壳结构量子点材料的制备方法，包括如下步骤：铜源、镓源和硫源混合并加热，制备出CuGaS2；在CuGaS2外制备CdS壳体，形成CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料。优选的，所述铜源、镓源和硫源混合并加热，制备出CuGaS2步骤，具体为：铜源和镓源加入有机配体中形成混合液，并加热至170-190℃；所述有机配体具有长碳氢键链尾和极性链头；在混合液中加入硫源，保温4-6min；升温至210-230℃，保温25-40min；水浴退火；离心纯化。优选的，所述铜源为铜的卤化物，所述镓源为镓的卤化物，所述硫源为硫的十八烯溶液，所述有机配体为油胺或十八烯中的一种。优选的，所述在CuGaS2外制备CdS壳体，形成CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料步骤，具体为：硫源与Cd-油酸混合并加热至175-185℃；将硫源与Cd-油酸混合液注入CuGaS2中，同时将温度加热至210-230℃；水浴退火。优选的，所述将硫源与Cd-油酸混合液注入CuGaS2中步骤，具体为：用注射泵将硫源与Cd-油酸混合液注入CuGaS2中，注射速率为0.06-0.07mL·min-1。优选的，所述将硫源与Cd-油酸混合液注入CuGaS2中，同时将温度加热至210-230℃步骤。优选的，所述离心纯化步骤，具体为：加入弱极性有机溶剂或非极性有机溶剂，采用3000rpm转速离心，弃去残余物保留上清液；然后加入极性有机溶剂，采用9000-12000rpm转速离心，保留底部沉积的量子点最终再分散在弱极性有机溶剂或非极性有机溶剂中。本申请还提供一种光电化学电池，包括成对设置基板，所述基板为由核壳结构量子点材料敏化的TiO2基板。本申请与现有技术相比，其有益效果为：CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料，具有高吸收系数和尺寸形状组成可调光学性质等优点。形成的核壳结构量子点材料，晶体结构为闪锌矿结构，能够使得核壳量子点性质更加稳定。可实现稳定的光电化学制氢系统。控制核体和壳体在不同的温度下制备，使核体和壳体的生长更为良好，制备出的核壳结构量子点材料尺寸形貌更为理想。较为缓慢地将硫源与Cd-油酸混合液注入，使原料能够充分反应，便于更好地控制壳体的生长速率和产物品质。附图说明图1为实施例一提供的CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的透射电镜表征图样；图2为实施例一提供的CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的光电流密度-光电压的J-V曲线图；图3为实施例六制得的光电化学电池的稳定性测试图。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。实施例一本实施例提供一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料，包括内核和包覆在内核外的壳体，所述内核为CuGaS2，直径在3.4-4.6nm；所述由6层CdS壳层构成，壳体的厚度为1.5-2.5nm。如图1所示，该核壳结构量子点材料的为闪锌矿结构，具有牢固的晶体结构，使得核壳量子点的结构稳定。如图2所示，本实施例提供的核壳结构量子点材料由于增大了吸收频谱的宽度，由该CuGaS2/CdS核壳结构量子点制备的光阳极在基于现有CuGaS2量子点的光阳极无法获得光照能量的地方也能吸收并进行光电转化，并显示出大约8倍增强的增强效果(饱和光电流密度)。实施例二本实施例提供一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的制备方法，包括如下步骤：将铜的卤化物和镓的卤化物加入油胺中形成混合液，并加热至170℃；作为优选项，在本实施例中，铜的卤化物为碘化亚铜，镓的卤化物为三碘化镓；为了提高混合液的纯净度，上述操作可以在氮气气氛下进行；在混合液中加入硫的十八烯溶液，保温4min；升温至210℃，保温40min；水浴退火；离心纯化：加入弱极性有机溶剂或非极性有机溶剂，采用3000rpm转速离心，弃去残余物保留上清液；然后加入极性有机溶剂，采用9000-12000rpm转速离心，保留底部沉积的量子点最终再分散在弱极性有机溶剂或非极性有机溶剂中；本申请中所述弱极性有机溶剂为由介电常数小于5的分子组成的溶剂；作为优选项，本实施例中所述弱极性有机溶剂为甲苯，所述极性有机溶剂为乙醇；硫的十八烯溶液与Cd-油酸混合并加热至175℃；用注射泵将硫的十八烯溶液与Cd-油酸混的混合液注入CuGaS2中，注射速率为0.06mL·min-1；注射的同时将温度加热至210℃；水浴退火。实施例三本实施例提供一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的制备方法，包括如下步骤：将铜的卤化物和镓的卤化物加入十八烯中形成混合液，并加热至180℃；作为优选项，在本实施例中，铜的卤化物为碘化亚铜，镓的卤化物为三碘化镓；为了提高混合液的纯净度，上述操作可以在氮气气氛下进行；在混合液中加入硫的十八烯溶液，保温5min；升温至220℃，保温30min；水浴退火；离心纯化：加入弱极性的甲苯作为溶剂，采用3000rpm转速离心，弃去残余物保留上清液；然后加入极性有机溶剂乙醇，采用9000rpm转速离心，保留底部沉积的量子点最终再分散在甲苯中；硫的十八烯溶液与Cd-油酸混合并加热至180℃；用注射泵将硫的十八烯溶液与Cd-油酸混的混合液注入CuGaS2中，注射速率为0.066mL·min-1；注射的同时将温度加热至220℃；水浴退火。实施例四本实施例提供一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料，其特征在于，包括核体和包覆在核体外的壳体，所述核体为CuGaS2，所述壳体为CdS。

【技术特征摘要】
1.一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料，其特征在于，包括核体和包覆在核体外的壳体，所述核体为CuGaS2，所述壳体为CdS。2.如权利要求1所述的CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料，其特征在于，所述核体的直径在3.4-4.6nm，所述壳体的厚度为1.5-2.5nm。3.如权利要求2所述的CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料，其特征在于，所述壳体厚度对应于6个单层CdS壳。4.一种CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：铜源、镓源和硫源混合并加热，制备出CuGaS2；在CuGaS2外制备CdS壳体，形成CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料。5.如权利要求4所述的CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的制备方法，其特征在于，所述铜源、镓源和硫源混合并加热，制备出CuGaS2步骤，具体为：铜源和镓源加入有机配体中形成混合液，并加热至170-190℃；所述有机配体具有长碳氢键链尾和极性链头；在混合液中加入硫源，保温4-6min；升温至210-230℃，保温25-40min；水浴退火；离心纯化。6.如权利要求5所述的CuGaS2/CdS核壳结构量子点材料的制备方法，其特征在于，所述铜源为铜的卤化物，所述镓源为镓的...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯慧洁，王志明，童鑫，余鹏，徐靖银，李鑫，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51