具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片及其制备方法。该制备方法先室温下将十六胺加入有机溶剂中，在超声条件下搅拌溶解，得到溶液A；将硝酸铜及掺杂金属离子盐加入到溶液A，超声分散，得到悬浊液B并封口；将封口的悬浊液B加热搅拌至全部溶解得到溶液C；向溶液C中加入二硫化碳，100～140℃溶剂热反应6‑24h；反应产物冷却、洗涤、干燥后，得到金属离子掺杂的硫化铜纳米片。本发明专利技术所得金属离子掺杂硫化铜纳米片粒径小，近红外吸收强，选择性透光强，反应易控制，且产物的分散稳定性好，在透明隔热涂料方面具有潜在的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片及其制备方法
本专利技术涉及硫化铜纳米片，特别是涉及一种具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片及其制备方法；属于建筑节能领域。
技术介绍
随着人类于能源的依赖程度逐渐加深，能源消耗日渐增大，并且能源开采与消耗过程中产生的环境问题也对人类健康的问题提出了严峻的挑战，因此能源与环境问题成为制约人类社会发展的两大因素，世界各国都在不断探求环保方法以及新的节能技术。解决能源问题，一方面可以不断开发新型清洁能源，较为成熟的是水能、太阳能、风能、核能等，另一方面，实现现有生产生活的节能化，也能够有效延长现有化石能源的使用时间，同时也能一定程度上缓解能源使用过程中产生的环境污染问题。而建筑节能是实现全产业节能的一个重要组成部分。据住房和城乡建设部统计，建筑能耗占我国能源消费总量28％以上，预测到2020年，我国建筑能耗占全社会总能耗的比例将达到35％左右，超越工业用能，成为用能第一领域。而建筑耗能主要途径之一就在于减少空调的使用。现代建筑在设计时越来越多地在使用玻璃门窗及幕墙，而玻璃在满足采光和美观需求的同时，射入室内的阳光也使得室内的温度升高。在我国，尤其在南方地区，一年中有较长的时间需要使用空调来对室内进行降温。因而，为了满足室内采光与节能需要，对太阳光进行选择性的透过，即透过可见光部分，阻隔占太阳光总能量近一半的近红外光，是减少南方地区空调能源消耗的一项重要方法。目前研究较多的包括Low-E镀膜玻璃及透明隔热涂料技术等。其中Low-E镀膜玻璃是通过磁控溅射、高温热沉积等技术在玻璃上镀上一层贵金属或者化合物的薄膜，使玻璃具备较高的红外光阻隔性并且保持高的可见光透过率，但镀膜玻璃的工艺复杂，且设备投资巨大，高的生产成本及售价限制了它的大规模推广。透明隔热涂料是将具备选择透光性的纳米材料添加到涂料中，再涂覆到玻璃表面使之具备透明隔热能力的一种涂料。相较于镀膜玻璃，其生产成本小，且易于对现有建筑进行改造，具有较大的应用前景。材料中的自由载流子(电子和空穴)在光照下会发生局域等离子体共振效应从而对光产生吸收，通过控制材料载流子浓度、形貌、粒径等可以调控其吸收波长及吸收强度。一般来说半导体材料的共振吸收区位于红外光区，通过适当的掺杂、形貌控制等可以增强其对近红外光的吸收或降低对可见光的吸收，从而制备透明隔热用的纳米材料。就目前而言，研究较多的材料为ITO(氧化铟锡)、ATO(锑掺杂氧化锡)和AZO(铝掺杂氧化锌)以及铯钨青铜等，其中ITO的制备工序复杂，设备价格昂贵，且ITO吸水性强，在潮湿环境下使用可发生变质。ATO、AZO性价比较高，但其近红外阻隔区主要位于1500nm以上，对780-1500nm波段上集中太阳近红外光75％以上的辐射能屏蔽不显著，铯钨青铜在选择透过性上效果显著，但本身价昂贵，限制了在涂料中的使用。硫化铜是一种重要的半导体材料，价格低廉、性能稳定，纳米尺寸的硫化铜其自由载流子的局域等离子体共振吸收峰正好位于1000-1500nm，因而对太阳光中的红外光成分有较强的吸收。并且随着其尺寸的降低，量子效应引起的能级分离能提高其禁带宽度，降低对可见光的吸收，这些优点使得硫化铜具备在透明隔热涂料方面的应用潜力。中国专利技术专利CN107254221B提出了一种水性硫化铜透明隔热涂料的制备方法，但其制备的硫化铜使用聚乙烯吡咯烷酮作为插层改性剂，使得其只能用于水性涂料当中，否则无法较好分散，而水性涂料干燥时间长，涂膜耐水性差，这些缺点限制了其在户外环境下玻璃上的施工及使用。中国专利技术专利申请CN107352574A及CN107502085A公开了一种溶剂热法制备三维纳米硫化铜及其涂层制备的方法，但其尺寸较大且易团聚，使用前需要机械研磨，使得量子效应不显著，涂料对可见光的吸收较高，在介质中的分散稳定性不好，需要添加额外的分散剂，并且掺杂量较大，提高了制备成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种在无需外加剂条件下即可在的有机溶剂中较好分散且长时间不团聚，掺杂量在5％以内，金属离子掺杂的纳米硫化铜尺寸小，可见光吸收弱，对近红外光的阻隔强，工艺简单，性能稳定的，对太阳光具有选择性吸收的具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片及其制备方法。本专利技术以正己烷溶剂，十六胺为形貌控制剂，在较低温度的溶剂热下，通过改变反应条件，获得10-30nm尺寸的单分散硫化铜纳米片，一方面，由于尺寸效应，其禁带宽度会升高，使得其在可见光区的本征吸收会降低，另一方面，通过金属离子的掺杂，改变其禁带宽度和载流子的分布，增强其在近红外区的载流子吸收，由于硫化铜本身原料来源广泛、价格低廉，且在通常条件下能够保持长时间的稳定，因而可作为透明隔热涂料应用。本专利技术合成的金属离子掺杂的纳米硫化铜尺寸小(25nm以下)，可见光吸收弱，并且在无需外加剂条件下即可在的有机溶剂中较好分散且长时间不团聚，少量掺杂(5％以下)后对近红外光的阻隔显著增强，且保持较高的可见光透过率，可应用于透明隔热涂料。为了实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：1、具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1:室温下将十六胺加入有机溶剂中，在超声条件下搅拌溶解，得到溶液A；S2:室温下将硝酸铜及掺杂金属离子盐加入到溶液A，超声分散，得到悬浊液B并封口；掺杂金属离子盐为乙酰丙酮铟和乙酰丙酮镓中的一种；所述悬浊液B中掺杂金属离子摩尔浓度为铜离子摩尔浓度的1％-5％；S3:将封口的悬浊液B加热搅拌至全部溶解得到溶液C；S4：向溶液C中加入二硫化碳，100～140℃溶剂热反应6-24h；S5:反应产物冷却、洗涤、干燥后，得到金属离子掺杂的硫化铜纳米片。为了进一步实现本专利技术目的，优选地，步骤S1所述有机溶剂为正己烷，溶液A中十六胺的浓度为14mmol/L-56mmol/L。优选地，步骤S2所述悬浊液中铜离子与十六胺的摩尔比为1:1～4。优选地，步骤S3中所述的加热搅拌是在恒温水浴加热磁力搅拌器中进行；恒温水浴的水浴锅的温度为50℃-60℃。优选地，步骤S3中加热搅拌时间为10min～30min。优选地，步骤S4中所述的向溶液C中加入二硫化碳是将溶液C先倒入对位聚苯反应内衬中，再向内衬中加入二硫化碳。优选地，步骤S4中加入的二硫化碳与铜离子的摩尔比为8:1～16:1。优选地，步骤S5中，所述的洗涤是用体积比1:4的正己烷与乙醇混合溶剂清洗2-4次；所述的干燥温度为40-60℃。一种具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片，由权上述的制备方法制得；所述金属离子掺杂硫化铜纳米片直径为5-25nm，无自组装行为，在有机溶剂中有良好的分散性；所述的金属离子掺杂硫化铜材料制备的薄膜可见光透过率为61％～68％，近红外阻隔率为59％-73％。优选地，采用紫外可见近红外分光光度计对产物制备成的薄膜进行透过率测试，测试方法为：称取20mg金属离子掺杂硫化铜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：/nS1:室温下将十六胺加入有机溶剂中，在超声条件下搅拌溶解，得到溶液A；/nS2:室温下将硝酸铜及掺杂金属离子盐加入到溶液A，超声分散，得到悬浊液B并封口；掺杂金属离子盐为乙酰丙酮铟和乙酰丙酮镓中的一种；所述悬浊液B中掺杂金属离子摩尔浓度为铜离子摩尔浓度的1％-5％；/nS3:将封口的悬浊液B加热搅拌至全部溶解得到溶液C；/nS4：向溶液C中加入二硫化碳，100～140℃溶剂热反应6-24h；/nS5:反应产物冷却、洗涤、干燥后，得到金属离子掺杂的硫化铜纳米片。/n

【技术特征摘要】
20200623 CN 20201057961071.具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:室温下将十六胺加入有机溶剂中，在超声条件下搅拌溶解，得到溶液A；
S2:室温下将硝酸铜及掺杂金属离子盐加入到溶液A，超声分散，得到悬浊液B并封口；掺杂金属离子盐为乙酰丙酮铟和乙酰丙酮镓中的一种；所述悬浊液B中掺杂金属离子摩尔浓度为铜离子摩尔浓度的1％-5％；
S3:将封口的悬浊液B加热搅拌至全部溶解得到溶液C；
S4：向溶液C中加入二硫化碳，100～140℃溶剂热反应6-24h；
S5:反应产物冷却、洗涤、干燥后，得到金属离子掺杂的硫化铜纳米片。


2.根据权利要求1中所述的具有近红外屏蔽功能的硫化铜纳米片的制备方法，其特征在于：步骤S1所述有机溶剂为正己烷，溶液A中十六胺的浓度为14mmol/L-56mmol/L。


3.根据权利要求1中所述的具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片的制备方法，其特征在于：步骤S2所述悬浊液中铜离子与十六胺的摩尔比为1:1～4。


4.根据权利要求1中所述的具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片的制备方法，其特征在于：步骤S3中所述的加热搅拌是在恒温水浴加热磁力搅拌器中进行；恒温水浴的水浴锅的温度为50℃-60℃。


5.根据权利要求1中所述的具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片的制备方法，其特征在于：步骤S3中加热搅拌时间为10min～30min。


6.根据权利要求1中所述的具有近红外屏蔽功能的金属离子掺杂硫化铜纳米片的制备方法，其特征在于：步骤S4中所述的向溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：高强，吴笑梅，黄韬，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44