CN102153133A - 可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法，属于气敏传感材料和太阳能电池制备技术领域。以SnCl4·4H2O和无水乙醇按一定比例混合经过恒温70-90℃保持8-12h制得二氧化锡溶胶溶液，将二氧化锡溶胶溶液滴加到表面沉积沉积聚苯乙烯小球的基片上，烘干，经过高温退火得到可控的有序多孔二氧化锡纳米结构。本发明极大地提高了材料与外界环境的接触面积，可实现产品孔径大小、孔壁厚度、三维深度的可控调节，产品具有卓越的气敏性能和光电性能。

Description

可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法
技术领域
本发明公开了一种可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法，该方法关键在于利用反蛋白石结构制备可控的多孔有序二氧化锡纳米结构，属于气敏传感材料和太阳能电池制造技术领域。
背景技术
二氧化锡纳米结构在透明导电电极、太阳能电池，尤其是气敏传感器方面有着重要的应用。用作气敏传感材料，首先要求有相当高的气体灵敏度和比较大的比表面积，其次要求功耗较小，化学稳定性好，耐腐蚀，无污染等。多孔二氧化锡纳米结构因为有着更大的比表面积，与外界气体接触更好，因此得到人们广泛青睐。但是，目前多孔二氧化锡纳米结构的制备工艺较少，技术相对单一，主要有阳极氧化法、溅射法和溶胶法等。阳极氧化法制备的多孔二氧化锡纳米结构虽然可以通过改变电压、电解液浓度来控制孔径和深度，但孔的排列极不规则且孔壁厚度不一，只能形成单层的孔状结构。溅射法产生的多孔二氧化锡纳米结构与阳极氧化法类似，其制备操作条件更加苛刻，很难应用于大规模生产。溶胶法虽然可以制备多层孔状二氧化锡纳米结构，但是其成孔不均匀，且孔径大小，孔壁厚度均不可控。现有的方法和技术很难实现可控有序多孔二氧化锡纳米结构的制备，这使得二氧化锡在气敏传感材料方面的应用受到了极大的限制。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有方法制备多孔二氧化锡纳米结构的缺陷，提供一种可控的有序多孔二氧化锡纳米结构，该方法极大地提高了材料与外界环境的接触面积，可实现产品孔径大小、孔壁厚度、三维深度的可控调节，具有卓越的气敏性能和光电性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)用溶胶凝胶法制备二氧化锡溶胶溶液：无水乙醇溶液中加入SnCl4·4H2O，通过磁子搅拌器加热至70-90℃，水浴恒温保持8-12h，转子转速为450-500r/min；然后冷却到室温，静置22-26h后作陈化处理，得到二氧化锡溶胶溶液；
(2) 制备表面沉积聚苯乙烯小球的模板：去离子水加入苯乙烯，通过磁子搅拌器水浴加热至60-80℃，转速为450-550r/min，得苯乙烯的水溶液；去离子水中加入K2S2O8，超声20-30min，得K2S2O8（过硫酸钾）的水溶液；苯乙烯的水溶液于60-80℃保持20min后在磁子搅拌器的作用下缓慢滴入过硫酸钾的水溶液中，转速为250-350r/min，滴加完毕后于60-80℃恒温保持24h，得到聚苯乙烯小球；将制得的聚苯乙烯小球配制成质量分数为4-6%的悬浮液，用经过亲水性处理的基片采用垂直沉降法制得表面沉积聚苯乙烯小球的模板；
（3）将二氧化锡溶胶溶液逐滴滴加到表面沉积聚苯乙烯小球的模板，滴加完毕后，将模板于烘箱中在60-80℃烘干；
（4）退火：用管式电阻炉把烘干后的模板升温至450-550℃，恒温保持1-3h后自然冷却，制得可控的有序多孔二氧化锡纳米结构。
所述的无水乙醇溶液与SnCl4·4H2O的数量关系为每10ml无水乙醇溶液中加入0.075-0.1gSnCl4·4H2O。
所述的苯乙烯与去离子水的数量关系为每10ml去离子水加入0.07-0.11g的苯乙烯。
所述的K2S2O8与去离子水的数量关系为每10ml去离子水中加入0.2-0.26g K2S2O8。
所述的基片为玻璃或硅或石英或金属。
所述的步骤（4）中的升温的速度为以1℃/min。
本发明使用聚苯乙烯小球为模板制作多孔二氧化锡纳米结构，不仅可以实现孔径大小、孔壁厚度和三维深度的有效控制，而且形貌高度有序，工艺简单，便于操作，可以满足大规模工业生产的需要。本发明采用的溶胶凝胶法易大面积制膜，组分控制精确，与半导体技术相兼容。本发明可通过调节KPS溶液的浓度以及苯乙烯物质的量、转子转速来控制聚苯乙烯小球的大小。本发明可通过控制悬浮液的浓度，沉积温度来控制聚苯乙烯小球沉积的厚度。根据不同需要，模板衬底即基片可以更换为硅、石英、金属及其它复合物衬底等。本发明制得的多孔二氧化锡纳米结构化学性能稳定，热稳定性好，骨架结实，比表面积大，可控性强，成孔均匀，表面无覆盖，透气性好，适用于气敏性材料与器件和太阳能电池的制备与应用。
附图说明
图1本发明制得的有序多孔二氧化锡纳米结构的XRD谱图；
图2-1 本发明制得的聚苯乙烯小球阵列的低分辨SEM图；
图2-2 本发明制得的聚苯乙烯小球阵列的高分辨SEM图；
图3-1 本发明制得的有序多孔二氧化锡纳米结构的低分辨SEM图。
图3-2 本发明制得的有序多孔二氧化锡纳米结构的高分辨SEM图。
具体实施方式
本发明涉及的药剂或试剂均为分析纯。
将8.75g的SnCl4·4H2O加入到100ml无水乙醇溶液中，通过磁子搅拌器加热至80℃，水浴恒温80℃保持10h，转子转速为500r/min。然后冷却到室温，静置24h作陈化处理，得到二氧化锡溶胶溶液。
将0.9g的苯乙烯加入到70ml的去离子水中，通过磁子搅拌器、水浴加热至70℃, 转速为500r/min，设定此溶液为A溶液。将0.115g的K2S2O8加入到5ml去离子水中超声20-30min，设定此溶液为B溶液。A溶液70℃保持20min后，在磁子搅拌器的作用下缓慢滴入B溶液，转速为300r/min。滴加完毕后，70℃保持24h，得到聚苯乙烯小球。将制得的聚苯乙烯小球配制成质量分数为5%的悬浮液，用经过亲水性处理的玻璃基片采用垂直沉降法制得表面沉积聚苯乙烯小球的玻璃模板。该基片可以为硅或石英或金属。
将二氧化锡溶胶溶液逐滴滴加到玻璃模板，适量滴加即可，然后用烘箱70℃烘干并使用管式电阻炉于4h升温至500℃保持2h进行退火，制得样品。升温的速度为以1℃/min。
通过调节K2S2O8溶液的浓度以及苯乙烯物质的量、转子转速可以控制聚苯乙烯小球的大小；控制悬浮液的浓度，沉积温度可以控制聚苯乙烯小球沉积的厚度；进而实现对多孔二氧化锡纳米结构的孔径大小、孔壁厚度和三维深度的有效控制。
将样品进行测试，得到图1、图2-1、图2-2、图3-1和图3-2。由图1我们可以看出，使用本发明所制备的样品的XRD谱图与标准的二氧化锡XRD峰位一致，制得样品与标准二氧化锡XRD 的衍射峰吻合很好；图2-1和2-2清晰的显示了聚苯乙烯小球在模板上的排列情况，可以看出，小球的直径为250nm左右；图3-1和图3-2中二氧化锡多孔纳米结构的孔径为150nm左右，孔壁厚度为100nm左右，从这两幅图可以看出，孔径加上孔壁的尺寸与小球的直径相符合。采用本发明制备的可控的有序多孔二氧化锡纳米结构，具有成孔均匀，可控性好，表面无覆盖，透气性好，比表面积大等优点，适用于气敏性材料与器件和太阳能电池材料的制备与应用。

Claims (6)

1. 一种可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)用溶胶凝胶法制备二氧化锡溶胶溶液：无水乙醇溶液中加入SnCl4·4H2O，通过磁子搅拌器加热至70-90℃，水浴恒温保持8-12h，转子转速为450-500r/min；然后冷却到室温，静置22-26h后作陈化处理，得到二氧化锡溶胶溶液；
(2) 制备表面沉积聚苯乙烯小球的模板：去离子水加入苯乙烯，通过磁子搅拌器水浴加热至60-80℃，转速为450-550r/min，得苯乙烯的水溶液；去离子水中加入K2S2O8，超声20-30min，得K2S2O8的水溶液；苯乙烯的水溶液于60-80℃保持20min后在磁子搅拌器的作用下缓慢滴入过硫酸钾的水溶液中，转速为250-350r/min，滴加完毕后于60-80℃恒温保持24h，得到聚苯乙烯小球；将制得的聚苯乙烯小球配制成质量分数为4-6%的悬浮液，用经过亲水性处理的基片采用垂直沉降法制得表面沉积聚苯乙烯小球的模板；
（3）将二氧化锡溶胶溶液逐滴滴加到表面沉积聚苯乙烯小球的模板，滴加完毕后，将模板于烘箱中在60-80℃烘干；
（4）退火：用管式电阻炉把烘干后的模板升温至450-550℃，恒温保持1-3h后自然冷却，制得可控的有序多孔二氧化锡纳米结构。
2. 根据权利要求1所述的可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法，其特征是所述的无水乙醇溶液与SnCl4·4H2O的数量关系为每10ml无水乙醇溶液中加入0.075-0.1gSnCl4·4H2O。
3. 根据权利要求1所述的可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法，其特征是所述的苯乙烯与去离子水的数量关系为每10ml去离子水加入0.07-0.11g的苯乙烯。
4. 根据权利要求1所述的可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法，其特征是所述的K2S2O8与去离子水的数量关系为每10ml去离子水中加入0.2-0.26g K2S2O8。
5. 根据权利要求1所述的可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法，其特征是所述的基片为玻璃或硅或石英或金属。
6. 根据权利要求1所述的可控的有序多孔二氧化锡纳米结构的制备方法，其特征是所述的步骤（4）中的升温的速度为以1℃/min。
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