CN103043712B - 一种贵金属金颗粒催化生长氧化锡纳米线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种贵金属金颗粒催化生长氧化锡纳米线的制备方法，以五水四氯化锡、氯金酸的无水乙醇溶液为前驱体，前驱体在注射泵的驱动和氧气的雾化扩散下进入火焰反应室。辅助扩散火焰和前驱体溶液的燃烧提供热能量，反应温度为1600～2000℃，在贵金属金颗粒的催化诱导作用和高温火焰气氛下，得到高度结晶氧化锡纳米线。采用该发明制备的氧化锡纳米线，尖端具有贵金属金颗粒，可与半导体氧化锡产生界面等离子共振效应，可广泛应用在染料敏化太阳能电池、气敏传感器等领域上。
Description
技术领域
本发明涉及催化领域，尤其是一种贵金属金颗粒催化生长氧化锡纳米线的制备方法。
背景技术
无机半导体一维纳米结构，例如纳米线、纳米棒、纳米带、纳米管等纳米材料，由于其独特的低维数和量子限制效应的物理化学性能，加上精确可控的尺寸和形貌特点，近些年一直引起人们极大的兴趣，被视为组装高性能纳米器件的理想材料。其中，二氧化锡（SnO2）纳米线因为具有更加广泛的应用尤其受到重视。二氧化锡是一种良好的n型半导体材料，不仅具有宽的带隙（3.6eV），而且具有物理化学性质稳定、对光良好的通透性、对气体敏感度高等优点，被广泛地应用在气敏传感器、太阳能电池、光学器件、锂离子电池等领域。
目前已有许多文献报道制备出氧化锡纳米线结构的纳米材料，但其在气敏传感器、太阳能电池等方面的表现并不太理想，需要改善制备方法来提高氧化锡的性能表现。本发明利用喷雾燃烧装置，借鉴化学气相沉积法制备SnO2纳米线的VLS机理，以五水四氯化锡为锡源，以氯金酸作为催化剂的前驱体，快速制备出贵金属金颗粒催化生长的氧化锡纳米线材料。制备出氧化锡纳米线的尖端具有贵金属金颗粒，贵金属在太阳能电池等领域中与半导体氧化锡具有独特的界面等离子共振效应，这种尖端贵金属-长链氧化锡纳米线的结构使得其在染料敏化太阳能电池上具有更加优异的光电转化效率及性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种贵金属金颗粒催化生长氧化锡纳米线的制备方法。
本发明的技术构思如下：
锡源四氯化锡和催化剂的前驱体氯金酸经喷雾烧嘴中的毛细管经雾化后进入火焰反应区，在氢气/空气扩散火焰的辅助下，四氯化锡迅速气化（沸点114.1℃），随着反应器中火焰温度进一步上升（如1800℃），气态四氯化锡与水蒸气反应生成气态二氧化锡（沸点1630℃）。同时，氯金酸发生水解反应生成许多金的小液滴（熔点1064℃）。这些液滴界面具有更高的粘附系数，气态二氧化锡分子会优先被吸附在Au的液滴界面上，大量分子不断地溶解在金的小液滴中，随着液滴中溶解的二氧化锡分子逐渐达到饱和，加上经过中心火焰区后反应温度逐渐降低，二氧化锡会在Au表面析出、凝结、成核，加上源源不断的气态氧化锡分子溶解在金的小液滴中，析出的氧化锡成核后会沿着某一个优先的方向不断生长，直到反应器温度不断降低，氧化锡生长停止，最终形成高度结晶的氧化锡纳米线结构，并且金颗粒附着在纳米线尖端。
具体技术方案如下：
一种贵金属金颗粒催化生长氧化锡纳米线的制备方法，包括以下步骤：
首先，在无水乙醇溶剂中超声溶解锡盐和贵金属前驱体，配制成前驱体溶液；然后，将所述前驱体溶液以进料速率4～8ml/min经注射泵和雾化器送入以氢气/空气的混合气体为辅助火焰的燃烧反应器，进行燃烧热解反应；最后，在反应室末端采用滤纸收集最终产物，即所述氧化锡纳米线；所述氧化锡纳米线的尖端具有贵金属金颗粒；
所述锡盐是五水四氯化锡；所述贵金属前驱体是氯金酸；
所述锡盐和所述贵金属前驱体的总摩尔浓度在0.1～0.2mol/L，其中Sn和Au的摩尔比为50：1～250：1。
所述氢气/空气的混合气体的总气体流量为1.2～1.8m3/h，其中氢气与空气的体积比为1：3～1：5。
所述燃烧反应器中反应区的温度为1600～2000℃。
所述氧化锡纳米线的直径为10～20nm，长度为0.1～1μm。
本发明与传统技术相比具有以下优点：设备工艺简单，生产周期短，产物纯度高、无需后处理、结晶度高。产物纳米线尖端具有贵金属金颗粒，可应用在气敏传感器、太阳能电池、光电器件等领域上。
附图说明
图1 是实施例1所得SnO2纳米线的XRD谱图；
图2 是实施例1所得SnO2纳米线的SEM电镜照片；
图3 是实施例2所得SnO2纳米线的TEM电镜照片；
图4 是实施例3所得SnO2纳米线的TEM电镜照片。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，但只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。对本领域的技术人员在不背离本发明精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
实施例 1
将五水四氯化锡和氯金酸超声溶解在无水乙醇中形成前驱体溶液，其中四氯化锡的浓度为0.2mol/l，Sn与Au元素的摩尔比为100：1。上述前驱体溶液以4ml/min的进料速率，经注射泵和雾化器送入氢气\空气为辅助火焰的火焰反应区，在1800～2000℃的反应温度下，进行水解反应。反应火焰中氢气/空气的总气体流量为1.8m3/h，氢气/空气的体积比为1：5。在火焰中发生水解反应生成的气态氧化锡在催化剂Au的诱导和催化作用下（VLS机理），凝结成核并沿着某一方向生长，最终形成尖端具有贵金属金颗粒的氧化锡纳米线结构，该纳米线的直径为10～20nm，长度0.2～0.5μm。产物的XRD谱图如图1所示，SEM照片如图2所示。
实施例 2
将五水四氯化锡和氯金酸超声溶解在无水乙醇中形成前驱体溶液，其中四氯化锡的浓度为0.1mol/l，Sn与Au元素的摩尔比为50：1。上述前驱体溶液以4ml/min的进料速率，经注射泵和雾化器送入氢气\空气为辅助火焰的火焰反应区，在1600～1800℃的反应温度下，进行水解反应。反应火焰中氢气/空气的总气体流量为1.2m3/h，氢气/空气的体积比为1：3。在火焰中发生水解反应生成的气态氧化锡在催化剂Au的诱导和催化作用下，凝结并沿着某一方向生长，最终形成尖端具有贵金属金颗粒的氧化锡纳米线结构，该纳米线的直径为10～20nm，长度0.1～1μm。产物的TEM照片如图2所示。
实施例 3
将五水四氯化锡和氯金酸超声溶解在无水乙醇中形成前驱体溶液，其中四氯化锡的浓度为0.2mol/l，Sn与Au元素的摩尔比为250：1。上述前驱体溶液以4ml/min的进料速率，经注射泵和雾化器送入氢气\空气为辅助火焰的火焰反应区，在1800～2000℃的反应温度下，进行水解反应。反应火焰中氢气/空气的总气体流量为1.8m3/h，氢气/空气的体积比为1：5。在火焰中发生水解反应生成的气态氧化锡在催化剂Au的诱导和催化作用下，凝结并沿着某一方向生长，最终形成尖端具有贵金属金颗粒的氧化锡纳米线结构，该纳米线的直径为10～30nm，长度0.2～0.5um。产物的TEM照片如图3所示。
Claims (2)
1.一种贵金属金颗粒催化生长氧化锡纳米线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，在无水乙醇溶剂中超声溶解锡盐和贵金属前驱体，配制成前驱体溶液；然后，将所述前驱体溶液以进料速率4～8mL/min经注射泵和雾化器送入以氢气/空气的混合气体为辅助火焰的燃烧反应器，进行燃烧热解反应；最后，在反应室末端采用滤纸收集最终产物，即所述氧化锡纳米线；所述氧化锡纳米线的尖端具有贵金属金颗粒；
所述锡盐是五水四氯化锡；所述贵金属前驱体是氯金酸；
所述锡盐和所述贵金属前驱体的总摩尔浓度在0.1～0.2mol/L，其中Sn和Au的摩尔比为50：1～250：1；
所述氢气/空气的混合气体的总气体流量为1.2～1.8m3/h，其中氢气与空气的体积比为1：3～1：5；
所述燃烧反应器中反应区的温度为1600～2000℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化锡纳米线的直径为10～20nm，长度为0.1～1μm。
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