CN101254903A

CN101254903A - 碲化铋纳米管的制备方法

Info

Publication number: CN101254903A
Application number: CNA2008100349337A
Authority: CN
Inventors: 姚琴; 朱英杰; 陈立东
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: CN101254903B

Abstract

本发明涉及到一种碲化铋(Bi₂Te₃)纳米管的制备方法。其特征是采用微波液相加热的方法，将Bi元素的无机盐溶于有机溶剂中，将Te元素的无机盐溶于酸和有机溶剂的混合溶液中，将两种溶液混合后，在100℃～200℃微波加热反应10min～60min，将所得产物冷却到室温后，离心分离，经多次洗涤并真空干燥，得到直径为0.05～0.2μm，长度为0.5～2μm，壁厚1～25nm，一端开口、一端封闭的呈锥形的碲化铋纳米管。该方法具有工艺简单，反应时间短，产物纯度高，粒径小等特点。

Description

碲化铋纳米管的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体热电纳米材料的制备方法，具体说是碲化铋(Bi₂Te₃)纳米管的制备方法。

背景技术

热电转换技术是半导体材料利用塞贝克效应(Seebeck)和珀尔帖效应(Peltier)将热能和电能进行直接转换的技术，它具有不排放污染物、适用温度范围广、系统体积小、寿命长等特点，已在温差发电机和制冷器等领域得到应用。但由于热电材料的转换效率较低，从而极大限制了其应用范围。热电材料的性能一般可用无量纲值ZT来评价，ZT＝Tα²σ/λ，其中T是绝对温度，α为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率，ZT值越大，热电转换效率越高。

Bi₂Te₃化合物是目前室温附近性能最优的热电材料，其体材料的ZT值约在1左右。如果能进一步提高其热电转换性能将极大的提高其应用范围。

近年来，理论和实验研究表明，低维的热电半导体材料具有比体材料更高的热电性能，这是因为低维热电材料费米能级附近的能态密度增加提高了材料的Seebeck系数，而界面的声子散射降低了材料的热导率。理论预测表明，一维的Bi₂Te₃纳米线和纳米管的ZT值有可能大于5。其中，Bi₂Te₃纳米管由于中空的结构，能够更好的散射声子，降低热导，因此可能具有比Bi₂Te₃纳米线更好的热电性能。2005年，赵新兵等制得了含有Bi₂Te₃纳米管的Bi₂Te₃基纳米复合材料，结果发现加入的Bi₂Te₃纳米管可以大大降低基体材料的热导(Applied Physics Letters，Vol.86，2005，062111)。

到目前为止，Bi₂Te₃纳米管的制备方法研究得较少，已报道的主要有水热法(中国专利03151274.7，03151276.3；欧洲专利CN1526639，CN1526637)(Solid State Communications，Vol.138，2006，111-113)，低温溶液化学法(Journal of Alloys and Compounds，2007，in press)以及电化学沉积(Journalofthe American Chemical Society，2007，10068-10069)。水热法和低温溶液化学法均是在碱性溶液中反应，反应时间较长(6～50小时)，水热法还对实验条件要求较高(高温高压)，而电化学沉积法产量低，工艺复杂，因此，如能开发一种简单快速制备Bi₂Te₃纳米管的方法，将大大拓展其应用领域。近年来，微波作为一种新型的加热手段被应用于化学反应之中，和传统加热方法相比，微波加热具有加热速度快、能耗低等特点。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种Bi₂Te₃化合物纳米管的制备方法，具体说是采用微波加热技术，在酸性溶液中快速制备出Bi₂Te₃纳米管。

本发明的具体步骤如下：

a)反应物溶液的配制：将含有Bi元素的无机盐溶于有机溶剂中，配制成溶液A；将含有Te元素的无机盐溶于无机酸和有机溶剂的混合溶液中，配制成溶液B；Bi元素和Te元素的摩尔比为(1.5～2.0)∶1；

b)将溶液A放入微波反应器中，搅拌，同时升温至100～200℃，然后快速加入溶液B，在该温度反应10～60min；

c)反应结束后，将产物冷却到室温，离心分离，经去离子水、有机溶剂多次清洗后真空干燥，得到本发明材料。

上述步骤a)中Bi元素或Te元素的无机盐可以是氯化物、氧化物、硝酸盐或硫酸盐。

上述步骤a)中所用的有机溶剂可以为乙二醇、丙三醇或二甲亚砜。

上述步骤a)中所用的无机酸可以是硝酸、盐酸或硫酸。无机酸和有机溶剂的体积比2∶1-1∶1。

上述步骤b)中的升温功率为40W～100W。

本发明所提供的Bi₂Te₃化合物纳米管的微波液相制备方法，具有工艺简单、反应时间短、产物粒径小、纯度高的特点。

所获得的Bi₂Te₃纳米管的直径为0.05～0.2μm，长度为0.5～2μm，壁厚1～25nm，纳米管为一端开口、一端封闭的锥形管。

附图说明

图1为实施例1制备的Bi₂Te₃化合物纳米管的XRD图。

图2为实施例1制备的Bi₂Te₃化合物纳米管的TEM图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明做进一步说明，但本发明决非仅限于实施例。

实施例1：

1)将分析纯的Bi(NO₃)₃·5H₂O溶于30ml的乙二醇溶液中，配成溶液A。将分析纯的TeO₂溶于7mlHNO₃和乙二醇的混合溶液中(HNO₃溶液的浓度为5M，HNO₃和乙二醇的体积比为1∶1)，配成溶液B。Bi元素和Te元素的摩尔比为1.8∶1。

2)将溶液A置于微波反应器中，以50W的功率升温到160℃，升温的同时搅拌。然后快速加入溶液B，在该温度反应10～20min。

3)反应结束后，将产物缓慢冷却到室温，离心分离，经去离子水、有机溶剂多次清洗后真空干燥，得到本发明材料。

实施例2：

1)将分析纯的BiCl₃溶于30ml的二甲亚砜溶液中，配成溶液A。将分析纯的TeO₂溶于10ml硝酸和二甲亚砜的混合溶液中(HNO₃溶液的浓度为5M，HNO₃和二甲亚砜的体积比为2∶1)，配成溶液B。Bi元素和Te元素的摩尔比为1.6∶1。

2)将溶液A置于微波反应器中，以50W的功率升温到180℃，升温的同时搅拌。然后快速加入溶液B，在该温度反应20min～40min。

采用Rigaku-RINT2000型多晶衍射仪(Cu K_α射线，波长＝0.15406nm)对上述两个实施例的产物分别进行结构分析，表明所得的产物为Bi₂Te₃。采用JEM2010型透射电子显微镜分别观察上述产物的的颗粒大小和形貌，结果表明上述产物均含有直径为0.05～0.2μm，长度为0.5～2μm，壁厚1～25nm的Bi₂Te₃纳米管。

Claims

1、一种碲化铋纳米管的制备方法，其特征是在于采用微波液相加热法，在酸性溶液中制备，具体实验步骤如下：

a)反应物溶液的配制：将含有Bi元素的无机盐溶于有机溶剂中，配制成溶液A；将含有Te元素的无机盐溶于无机酸和有机溶剂的混合溶液中，配制成溶液B；

b)将溶液A放入微波反应器中，搅拌，同时升温至100～200℃，然后快速加入溶液B，在该温度反应10～60min；Bi元素和Te元素的摩尔比为(1.5～2.0)∶1；

c)反应结束后，将产物冷却到室温，离心分离，经去离子水、有机溶剂多次清洗后真空干燥。

2、根据权利要求1所述的碲化铋纳米管的制备方法，其特征在于步骤a)中Bi元素或Te元素的无机盐为氯化物、氧化物、硝酸盐或硫酸盐。

3、根据权利要求1所述的碲化铋纳米管的制备方法，其特征在于步骤a)中所用的有机溶剂为乙二醇、异丙醇或二甲亚砜。

4、根据权利要求1所述的碲化铋纳米管的制备方法，其特征在于步骤a)中所用的无机酸为硝酸、盐酸或硫酸。

5、根据权利要求1所述的碲化铋纳米管的制备方法，其特征在于步骤a)中所述的无机酸和有机溶剂的体积比为2∶1-1∶1。

6、根据权利要求1所述的碲化铋纳米管的制备方法，其特征在于步骤b)中升温时的功率为40W～100W。

7、根据权利要求1～7中任一项所述的碲化铋纳米管的制备方法，其特征在于制备的Bi₂Te₃纳米管直径0.05～0.2μm，长度为0.5～2μm，壁厚1～25nm。

8、根据权利要求1～6中任一项所述的碲化铋纳米管的制备方法，其特征在于制备的Bi₂Te₃纳米管为一端开口，另一端封闭的锥形的管。