【摘 要】
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铜基金属硫化物(Cu2-xS)微纳米材料,是一种重要的非化学计量比的P型半导体材料,由于具有局域表面等离子共振效应(LSPR),其对近红外光有强烈的吸收作用,被广泛应用于光热转换器件及技术中。由于无机微纳米材料的物理和化学性能通常与形貌和尺寸密切相关,因此Cu2-xS的可控合成对研究其光热性能与形貌和尺寸的关系来说非常必要。另外,由于Cu2-xS半导体材料具有导热性差、光谱吸收范围窄等缺点,限制了
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铜基金属硫化物(Cu2-xS)微纳米材料,是一种重要的非化学计量比的P型半导体材料,由于具有局域表面等离子共振效应(LSPR),其对近红外光有强烈的吸收作用,被广泛应用于光热转换器件及技术中。由于无机微纳米材料的物理和化学性能通常与形貌和尺寸密切相关,因此Cu2-xS的可控合成对研究其光热性能与形貌和尺寸的关系来说非常必要。另外,由于Cu2-xS半导体材料具有导热性差、光谱吸收范围窄等缺点,限制了其在能源存储与光热转换方面的应用。因此将其与导热性好、光热转换效率高、光热稳定性能好的碳材料相复合,可以有效扩大复合材料的应用范围。在本文中,我们采用简单的水溶液湿化学合成方法,分别制备了氧化亚铜(Cu2O)和Cu7S4微纳米晶体。首先,通过调节反应溶液中氢氧化钠的浓度,控制合成了不同尺寸的立方体Cu2O微纳米晶体。其次,以该Cu2O立方体作为牺牲模板,利用模板法合成了具有中空结构的Cu7S4微纳米晶体。另外,通过控制硫化物的种类、硫离子的释放速率与Cu2O模板的尺寸,我们实现了可控合成不同形貌的花球状、片状、球状和多面体状的Cu7S4微纳米结构,以及颗粒直径在32-715 nm范围之间的中空Cu7S4微纳米晶体。我们对不同粒径大小的Cu7S4微纳米晶体进行了光谱测试,发现随着粒径的减小,其对太阳光的吸收率增加。当粒径为32 nm左右时,Cu7S4纳米晶体在全光谱范围内的吸收率高达97%以上。将Cu7S4纳米颗粒通过真空抽滤的方法负载在滤纸上,与之组装成多孔、超亲水的Cu7S4/P复合物薄膜用于太阳能蒸发水试验时,在一个模拟太阳光照射下,水的最高蒸发速率可达到1.355 kgm-2h-1,对应的蒸发效率为85.0%。通过利用铜离子与氧化石墨烯(GO)、羟基多壁碳纳米管(CNTs)表面含氧基团之间的静电吸附作用,我们成功将Cu7S4微纳米晶体原位生长在还原氧化石墨烯(r GO)的片层中和CNTs的管壁上,分别制备出了夹心结构的Cu7S4/r GO和珠串结构的Cu7S4/CNTs复合材料。同样地,我们将复合材料与滤纸组装成复合薄膜进行光热性能表征。其中,Cu7S4/r GO复合材料对太阳光的吸收率达到95%以上,当该材料用于太阳能蒸发水试验时,在一个模拟太阳光照射下,光热转化效率为78.1%。同等条件下,Cu7S4/CNTs复合材料对太阳光的吸收率在97%以上,其对应的光热转化效率为80.9%。
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