CN102320647A - 一种不同化学计量比的硫化铜纳米粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种不同化学计量比的硫化铜纳米粉体的制备方法，属于纳米材料技术领域。其特征是：以金属单质铜粉（质量分数大于99.9%）和单质硫粉（质量分数大于99.8%）为原料，按照化学通式Cu2-xS配置，x表示(-0.5≤x≤1.5)配比，在氩气气氛保护下，球磨转速为100~425rpm球磨5~600min，获得化学计量比可调的单相硫化铜纳米粉体，尺寸为1~500nm。该方法所需原料廉价易得，设备简单易操作，工艺流程短，能够方便、快速地大规模生产不同化学计量比的硫化铜纳米粉体，具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，特别涉及一种制备不同化学计量比的硫化铜纳米粉体的方法，涉及到机械合金化技术。
背景技术
纳米材料相比于传统材料具有优异的磁、光、电、声及力学性能，越来越受到人们的关注。过渡金属硫化物是一类用途广泛的功能材料。纳米尺寸的硫化铜粉体粒径小、比表面积大，由于量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，其半导体纳米晶体在分子实体和微晶之间有传导电子的媒介作用，具有块体材料无法比拟的光电特性，硫化铜纳米粉体是一种重要的光电材料，在太阳能电池材料，光热转变的覆盖层，聚合物表面的导电层，光学过滤器，室温下的氨气传感器等领域中被广泛应用，同时在制备发光二极管，光催化和电化学电池方面也具有潜在的应用。
不同化学计量比的硫化铜，按照通式Cu2-xS（-0.5≤x≤1.5）存在一系列能够稳定存在的铜硫化合物，比如：富铜的Cu2S，随着Cu缺位的增减逐渐出现Cu1.96S，Cu1.8S，Cu1.75S，Cu1.6S, Cu1.4S以及CuS等一系列化合物。由于铜原子占位不同，这些化合物能形成具有包括属于立方晶系、正交晶系、六方晶系等不同的晶胞结构，其物理性质和化学性质也有所不同，禁带宽度根据x值变化，比如Cu2S的禁带宽度是1.2 eV，Cu1.8S的禁带宽度是1.5 eV，而CuS是禁带宽度是2 eV。可调控的禁带宽度对于光电方面的应用有着非常重要的意义。
目前制备硫化铜纳米粉体的方法有沉淀法、固相反应法、水热法、乳液法、模板法等。常新红等人（专利公开号：CN101798104A）先制备铜源分散溶液和硫源分散溶液，将制得的硫源分散溶液和铜源分散溶液均匀混合生成黑色沉淀，反应10～60min后将反应物送入离心机，分离出的沉淀物依次经过与蒸馏水、乙醇水溶液和无水乙醇先混匀再离心分离等步骤后，送入干燥箱干燥后制得硫化铜纳米粉末。该工艺需要制备前驱分散液，且分离步骤繁琐。马广跃等人（专利公开号：CN101367541）以离子液体为溶剂，用低温溶剂热方法合成纳米硫化铜，在[BMIM][BF4] 或1-正丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中，按照摩尔比添加硫脲和醋酸铜，然后在反应釜中于120度的温度下反应24小时，得到纳米尺寸的棒状硫化铜。该方法反应时间长，且使用的原料复杂、昂贵。总之，目前已有的合成硫化铜纳米粉体的方法存在以下缺点：原料昂贵，工艺繁琐，耗时长，产品难于分离，产率不高，而且这些制备方法只适合于制备某一种化学计量比，比如，CuS或者Cu2S纳米粉体，很难有一种方法能够同时制备分属不同晶体类型的、不同化学计量比的一系列硫化铜纳米粉体。
发明内容
本发明提供的一种制备不同化学计量比硫化铜纳米粉体的方法，采用非平衡态的机械合金化法，以单质Cu粉和S粉为原料，通过原料的不同配比来控制所得产品的化学计量比，所需设备简单，时间短，产品无需分离，纯度高，产率高，适合大规模工业生产。
一种不同化学计量比的硫化铜纳米粉体的制备方法，其特征是：以金属单质铜粉（质量分数大于99.9%）和单质硫粉（质量分数大于99.8%）为原料，按照Cu2-xS (-0.5≤x≤1.5)配比，在氩气气氛保护下，球磨转速100~425 rpm球磨5~600 min，可获得尺寸为1~500 nm的不同化学计量比的单相硫化铜均匀纳米粉体。
本发明采用机械合金化法，制备不同化学计量比的Cu2-xS，纳米粉体，具有化学计量比可控，原料易得，设备简单，工艺流程短，耗时少，产率高的优点。
本发明的技术特征是：机械合金化非平衡态、快速合成不同化学计量比的硫化铜纳米粉体，无湿磨过程，无需分离，直接取料，产品纯度高，产率高。该方法能够简单、方便、快捷地制备出具有1~500 nm的不同化学计量比的硫化铜纳米粉体。
附图说明
图1：所制备的一种硫化铜纳米粉体的XRD图谱。
具体实施方式
实例1
按照摩尔比：单质铜：单质硫=2.5:1配置，称量相应质量的铜粉和硫粉，置于球磨罐中，放入球料比20:1的不锈钢球，密封，抽真空后，充入氩气保护气体后，在行星球磨机器上450 rpm, 球磨5 min后可得粒径400~500 nm 的硫化铜（Cu2.5S）纳米粉体。
实例2
按照摩尔比：单质铜：单质硫=2.2:1配置，称量相应质量的铜粉和硫粉，置于球磨罐中，放入球料比20:1的不锈钢球，密封，抽真空后，充入氩气保护气体后，在行星球磨机器上420 rpm, 球磨30 min后可得粒径200~400 nm 的硫化铜（Cu2.2S）纳米粉体。
实例3
按照摩尔比：单质铜：单质硫=2:1配置，称量相应质量的铜粉和硫粉，置于球磨罐中，放入球料比20:1的不锈钢球，密封，抽真空后，充入氩气保护气体后，在行星球磨机器上450 rpm, 球磨100 min后可得粒径200~300 nm 的硫化铜（Cu2S）纳米粉体。
实例4
按照摩尔比：单质铜：单质硫=1.8:1配置，称量相应质量的铜粉和硫粉，置于球磨罐中，放入球料比20:1的不锈钢球，密封，抽真空后，充入氩气保护气体后，在行星球磨机器上300 rpm, 球磨200 min后可得粒径150~300 nm的硫化铜（Cu1.8S）纳米粉体。
实例5
按照摩尔比：单质铜：单质硫=1.75:1配置，称量相应质量的铜粉和硫粉，置于球磨罐中，放入球料比20:1的不锈钢球，密封，抽真空后，充入氩气保护气体后，在行星球磨机器上350 rpm, 球磨300 min后可得粒径100~300 nm 的硫化铜（Cu1.75S）纳米粉体。
实例6
按照摩尔比：单质铜：单质硫=1.6:1配置，称量相应质量的铜粉和硫粉，置于球磨罐中，放入球料比20:1的不锈钢球，密封，抽真空后，充入氩气保护气体后，在行星球磨机器上400 rpm, 球磨400 min后可得粒径40~250 nm 的硫化铜（Cu1.6S）纳米粉体。
实例7
按照摩尔比：单质铜：单质硫=1:1配置，称量相应质量的铜粉和硫粉，置于球磨罐中，放入球料比20:1的不锈钢球，密封，抽真空后，充入氩气保护气体后，在行星球磨机器上425 rpm, 球磨500 min后可得粒径20~160 nm 的硫化铜（CuS）纳米粉体。
实例8
按照摩尔比：单质铜：单质硫=0.8:1配置，称量相应质量的铜粉和硫粉，置于球磨罐中，放入球料比20:1的不锈钢球，密封，抽真空后，充入氩气保护气体后，在行星球磨机器上100 rpm, 球磨600 min后可得粒径1~100 nm 的硫化铜（Cu0.8S）纳米粉体。
实例9
按照摩尔比：单质铜：单质硫=0.5:1配置，称量相应质量的铜粉和硫粉，置于球磨罐中，放入球料比20:1的不锈钢球，密封，抽真空后，充入氩气保护气体后，在行星球磨机器上200 rpm, 球磨80 min后可得粒径250~400 nm 的硫化铜（Cu0.5S）纳米粉体。
Claims (2)
1.一种不同化学计量比的硫化铜纳米粉体的制备方法，其特征是：按照化学通式Cu2-xS配置，x为摩尔数，其取值范围为-0.5≤x≤1.5；以质量分数大于99.9%的金属单质铜粉和质量分数大于99.8%单质硫粉为原料，在氩气气氛保护下，球磨转速为100~425 rpm球磨5~600 min，制备不同化学计量比的硫化铜纳米粉体。
2.如权利要求1所述的不同化学计量比的硫化铜纳米粉体的制备方法，其特征是：所获得的单相硫化铜纳米粉体的化学计量比可控，颗粒均匀其尺寸为1~500 nm。
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