铜硫族化合物作为过渡金属硫族化合物其中的一个代表,其纳米尺寸材料所带来的优于块体材料的性质使得它在热电转化、量子点敏化太阳能电池、锂离子或钠离子电池、光催化以及光声生物成像等许多领域有所应用。同时,通过改变其纳米材料的化学计量比、尺寸或者形貌,能够对它在以上各应用中的性能有所提高。目前,对于合成纳米尺寸的铜硫族化合物有许多方法：水热或溶剂热法、超声化学法、电化学沉积法、微波辅助法、球磨法和化学焊接法等。通过这些方法所合成的铜硫族化合物有着各种形貌,诸如纳米颗粒、纳米线／管、纳米立方、纳米树枝结构和纳米片。然而如何设计、构建特殊纳米结构的铜硫族化合物,用于提高材料在上述应用领域的性能是纳米材料在合成及应用上面临的挑战。本论文主要内容为研究设计以及合成具一定形貌的二元、三元铜硫族化合物,并研究它们在热电转化和量子点敏化太阳能电池的应用。p型半导体硒化亚铜导电性好、热导率低,且具有一些独特的晶体结构(如固有的铜离子缺陷),这些特性使得它们适合应用在热电转化器件上。然而通常采用固熔法、球磨法或者水热、溶剂热法合成硒化亚铜,很难同时得到既形貌可控又产率较高的纳米材料,所以探索一种新的产率高,同时形貌又能精确可控的制备硒化亚铜的合成方法非常必要。在量子点敏化太阳能电池应用中,随着多硫化合物电解液的使用,传统的贵金属对电极在此电解液中的抗腐蚀性和催化性能都有所下降,于是研究者们开始用金属硫族化合物取代贵金属作为对电极,提高对电极在多硫化合物电解液中的抗腐蚀性和催化性能,从而提高太阳能电池的光电转化效率。但是目前对电极材料的研究主要集中在铜硫化合物,虽然二元硒化亚铜和三元铜银硒也是铜硫族化合物,目前却并没有太多研究,尤其是通过设计以及合成特殊形貌的二元硒化亚铜和三元铜银硒,并作为对电极来提高量子点敏化太阳能电池的光电转化效率的研究还未见报导。论文第二章研究了一种制备一维硒化亚铜(Cu2-xSe)纳米线的方法,该方法产率高、且合成过程中无须添加表面活性剂；将制备的Cu2-xSe纳米线粉末经高温热压处理制成块体研究了该块体的热电转化性质。采用水溶液蒸发转变法制备一维Cu2-xSe纳米线,讨论了多种反应参数(铜和硒前驱体的比例、硒和氢氧化钠的比例、以及反应时间)对纳米线形成的影响,结果显示Cu2-xSe纳米线是由CuSe纳米片经过自氧化反应叠加聚集在一起形成的一维结构。将这些粉末用电火花等离子体烧结法(SPS)压制成块体,经切割、打磨后,测量样品的热电性能,测试得到在430℃时合成的Cu2-xSe的ZT值是0.29,而商用Cu2Se的ZT值是0.38。虽然合成的Cu2-xSe的ZT值与商用Cu2Se相比,没有显著地提高,但是由于纳米尺寸材料的引入,合成的Cu2-xSe的热导率比商用Cu2Se略有降低,这是因为样品中纳米颗粒在高温时增强了声子散射从而降低了晶格热导以及总体的热导率。而合成的Cu2-xSe内的铜离子缺陷使得整个样品的电导率与商用Cu2Se相比有显著的提高。论文第三章在第二章的基础上着重研究室温条件下大量合成Cu2-xSe纳米结构的一种简易通用的方法,并研究了经过高温热压处理以后形成的块体在热电转化方面的应用。数克纳米结构的Cu2-xSe通过商用的铜粉和硒粉在巯基溶剂中室温磁力搅拌合成,研究表明纳米结构的形貌受到巯基溶剂和硒粉比例的影响。合成的产物在水合肼溶液中搅拌24 h,除去材料表面残留的有机物后用于热电性能的测试。结果得出合成的Cu2-xSe在480℃的ZT值是0.28,略低于商用Cu2Se的ZT值的0.38,这一结果与第二章中的结果相似。但是通过比较材料在高温热电性能测试前后的结构,发现合成的Cu2-xSe始终维持面心立方结构,而商用Cu2Se则从面心立方与正交晶体结构的混合相转变为正交晶体,所以合成的Cu2-xSe具有稳定的晶格结构。论文第四章利用模型的理论计算证明了上一章中材料合成方法的普适性,并延续该方法,制备出一维表面层状结构的Cu2-xSe和Cu2-xS纳米管结构,并研究了这两种材料在量子点敏化太阳能电池对电极上的应用。Cu2-xSe和Cu2-xS纳米管通过铜纳米线和硒粉或者硫粉在室温下磁力搅拌得到。讨论了多种反应参数(诸如前驱体比例、巯基溶剂的类型、巯基溶剂的比例、以及反应时间等)对纳米管的形成的影响。将合成的Cu2-xSe和Cu2-xS纳米管作为量子点敏化太阳能电池的对电极,测试得到的太阳能电池的光电转化效率分别为(η=5.02%和η=6.25%),远高于贵金属金作为对电极时的光电转化效率(η=2.94%)。这源于以下三个原因,1.这种表面粗糙的管状结构比普通颗粒结构的比表面积大,能提供大的催化面积；2.Cu2-xSe和Cu2-xSAu在多硫电解液里面更加稳定,即抗腐蚀性高；3.Cu2-xSe和Cu2-xS本身是自掺杂的半导体,有着良好的导电性。论文第五章利用第四章中合成的二元Cu2-xSe纳米管作为前驱体,经过阳离子交换制备出三元CuAgSe纳米管,并比较了阳离子交换前后二元和三元纳米管作为量子点敏化太阳能电池对电极的性能。观察表明,阳离子交换前后形貌维持不变,但是面心立方的Cu2-xSe转变成了正交晶系或者四角晶系的CuAgSe。阳离子交换反应能够自发向产物方向进行是因为反应的相对吉布斯自由能为负值。而文中对其它反应参数(如反应时间、前驱体种类、以及前驱体比例等)对产物结构和形貌的影响都进行了研究。利用合成的一维CuAgSe纳米管制备成量子点敏化太阳能电池的对电极,得到太阳能电池的光电转化效率为(η=5.61%),远高于贵金属金作为对电极时的光电转化效率(η=3.32%)。CuAgSe纳米管对电极电池光电转化效率提高的原因是山于铜离子和银粒子共同的存在,从而有更高的移动性,从而增加了电极的导电性；同时硒的存在使得它在多硫电解液的体系中比金属的抗腐蚀性和催化活性提高。论文第六章对全文进行了总结。