CN104493194A - Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,通过高温裂解法制备的该材料为以Ag为顶点、Ag-Ag8SnS6为基座、尺寸均一的金字塔状Ag-Ag8SnS6异质二聚体。与现有技术相比,本发明通过调节银源和硫源中硫醇的配比等反应条件,首次制备得到Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料,可在催化和光电化学领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无机材料制备领域,尤其是涉及一种Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法。
背景技术
近年来,金属-半导体异质结构纳米材料受到了广泛的关注,这是由于其可能具有复合功能或不同于其组分构成的独特性质。与单一功能纳米材料不同,由于纳米晶体在微观尺度的有序组合不仅可以保持原有材料的性质,同时各组分材料的有效接触将使得异质结构材料的性能得到增强。其中金属-金属硫化物异质结构纳米材料已经被证明在电化学催化剂和新型光电器件等领域有着非常重要的理论和应用前景。目前,采用液相方法来制备金属-金属硫化物异质结构纳米材料的主要途径如下:首先制备出金属纳米颗粒(一般为贵金属,如:铂、钯、金、银)或金属硫化物纳米晶,然后通过异质结进一步生长或者表面吸附的方式获得异质结构。然而这样的途径存在许多不足,其中包括复杂的制备步骤以及制备得到的产物尺寸和形貌难以控制等。
当前关于银-银基金属硫化合物异质结构的合成以Ag-Ag2S异质二聚体报道居多,如Pang等以硫化后的氧化铜纳米球为模板经过一系列后期的合成步骤首次得到了Ag-Ag2S异质二聚体纳米材料,且通过控制不同的合成参数,制备得到了不同形貌的异质结构(J.Am.Chem.Soc.,2010,132,10771-10785)。Jiang等(以一种特殊的既作为银源又作为硫源的前驱物采用有机相高温裂解的方法合成出了Ag-Ag2S异质结CrystEngComm,2011,13,7189-7193)。Ma等在水相体系里以硫代乙酰胺为硫源和还原剂一步法合成出了Ag-Ag2S二聚体(ChemPhysChem,2012,13,2531-2535)。以上得到的均为二元银基硫化物和银的异质结构,尚未发现有三元银基硫化物和银形成异质结的报道。且上述报道的反应体系中如果加入其他金属无机盐作为反映前驱物,其结果亦难以得到三元甚至更多元的银基硫化物和银的异质结构,因为不同的金属反应活性不同,使其合成过程变得难以控制。
因此,现有合成技术的缺陷是采用了复杂的两步或多步合成路径,合成效率和可控性有待改善。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够控制所得材料的形貌、尺寸和组成的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,采用以下步骤:
(1)将溶剂、银源和锡源置于反应器中,抽真空除水除氧,磁力搅拌,控温加热到60℃维持30分钟,使反应物充分溶解,此后将整个反应体系通入保护气直至反应结束;
(2)将上述反应体系控温加热到100-180℃,用注射器注入硫源,加热到200-300℃并保持10-90分钟;
(3)待反应结束后,通过离心分离获得产物,并无水乙醇洗涤;在所得沉淀中加入三氯甲烷分散并以8000rpm的转速离心分离产物,将上层溶液取出挥发溶剂,即得到Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。
优选的,溶剂选自油胺、十八碳烯、油酸或脂肪酸中的至少一种。银源选自硝酸银、醋酸银或乙酰丙酮银中的至少一种。锡源选自草酸亚锡、硫酸亚锡、氯化亚锡、氯化锡、乙酸锡或乙酸亚锡中的至少一种。银源和锡源中,银和锡的摩尔比为0.08-0.8∶0.01-0.1。
优选的,硫源选自硫化钾、硫代硫酸钠、硫脲、二硫化碳、硫代乙酰胺、α-安息香肟、乙硫醇、叔十二烷基硫醇或正十二烷基硫醇中的至少一种。锡源和硫源中,锡和硫的摩尔比为0.01-0.1∶0.06-0.6。
制备得到的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料由单质Ag与Ag8SnS6复合而成,其中,单质Ag的物相为四方相,Ag8SnS6的物相为正交相,该纳米材料的微观结构为以Ag为顶点,Ag8SnS6为基座的金字塔状,其尺寸在10-20纳米。
制备得到的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料可以作为染料敏化太阳能电池对电极材料应用。
结合时间梯度的反应历程,本申请提出了Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的形成机理。硝酸银在加热的过程中被油胺还原成银纳米颗粒。注入硫源后,银纳米颗粒被部分硫化为硫化银,即此时形成了Ag-Ag2S异质二聚体。随着反应的进行,Ag2S在Ag的催化下不断的长大。由于Ag2S是一种超离子导体物质,当反应温度升高到180℃左右时,Sn4+离子逐渐掺进Ag-Ag2S二聚体的Ag2S端,形成Ag-Ag8SnS6异质二聚体。继续升高温度,则产物经过奥斯特瓦尔德熟化及油胺的刻蚀过程逐渐形成典型实施例中的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。
与现有技术相比,本发明操作步骤简单,且能够通过选择合适的硫源注入温度和硫源种类控制所得材料的形貌、尺寸和组成。制备的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料可在电化学催化和光电化学领域具有良好的应用前景;同时该方法为制备其他金属和半导体异质二聚体材料提供了可以借鉴的思路。
附图说明
图1为实施例1制得产物的X射线衍射谱图;
图2为实施例1制得产物的透射电镜照片;
图3为实施例1制得产物的高分辨透射电镜照片;
图4为实施例2制得产物的透射电镜照片;
图5为实施例3制得产物的透射电镜照片;
图6为实施例4制得产物的透射电镜照片;
图7为实施例5制得产物的透射电镜照片;
图8为实施例6制得产物的透射电镜照片。
图9为实施例7制得产物的透射电镜照片。
图10为实施例1和对比例制得产物作为对电极材料制备成染料敏化太阳能电池的性能图。
具体实施方式
本发明是一种Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的合成方法,下面结合实施例对本发明做进一步说明,但不仅限于此。
本发明实施例所使用原料均为市购分析纯产品,且并未进行进一步纯化。
本发明所制备材料的物相通过XRD-6000(Shimadzu)型X-射线衍射仪(Cu靶,镍滤波片滤波,λ=0.154nm,管电压40kV,管电流30mA,扫描范围20°~60°)进行表征。
本发明所制备材料的形貌通过JEM-2010型透射电子显微镜进行观察获得,对获得的透射电镜照片中产物颗粒大小进行统计得到其大致粒径分布。
实施例1
一种Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其步骤如下:
(1)将10毫升油胺加入到三颈烧瓶中,称取2毫摩尔的硝酸银,移取0.25毫摩尔的无水四氯化锡依次加入到上述溶剂中,抽真空除水除氧,磁力搅拌,控温加热到60℃并维持30分钟使反应全取物充分溶解,此后将整个反应体系通入氮气保护直至反应结束;
(2)将上述反应体系控温加热到140℃,用注射器注入0.25毫升正十二烷基硫醇和1.75毫升叔十二烷基硫醇混合液,加热到200℃并保持30分钟;
(3)待反应结束后,将反应物用无水乙醇洗涤并离心2次,所得沉淀中加入三氯甲烷分散并8000rpm离心分离产物,将所得上层溶液取出挥发溶剂后即得到Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。
图1是所得到的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的X射线衍射谱图,显示Ag8SnS6和Ag的典型衍射峰,其中Ag的衍射峰较弱,可能与产物中Ag的结晶度较差或颗粒尺寸较小有关,这一结果与文献报道的一致(ChemPhysChem,2012,13,2531-2535)。图2是所的样品的透射电镜和高分辨透射电镜照片,可知其颗粒尺寸分布较为均一,且呈现出金字塔状的外型,其顶点处衬度颜色较深的区域为Ag颗粒,颜色较浅的区域为Ag8SnS6基底,这一推测可由图3的高分辨透射电镜证明,从图中可以精确测量出Ag的晶面的间距为0.235nm,这与标准(111)面的间距一致。
实施例2
步骤同实施例1,不同之处是将实施例1步骤(1)中的硝酸银替换为醋酸银即可获得Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。图4为所制备材料的透射电镜照片,由图可知所得的材料仍为金字塔状且尺寸分布均一的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。
实施例3
步骤同实施例1,不同之处是将实施例1步骤(1)中的无水四氯化锡替换为五水合四氯化锡即可获得Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。图5为所制备材料的透射电镜照片,由图可知所得仍为异质二聚体结构。
实施例4
步骤同实施例1,不同之处是将实施例1步骤(2)中的硫源注入温度替换为100℃即可获得Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。图6为所制备材料的透射电镜照片,由图可知所制得产物的呈现出类似于球形的且颗粒尺寸分布均一的异质二聚体结构。
实施例5
步骤同实施例1,不同之处是将实施例1步骤(2)中的硫源注入温度替换为180℃即可获得Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。图7为所制备材料的透射电镜照片,由图可知所得的材料仍为异质二聚体的结构。
实施例6
步骤同实施例1,不同之处是将实施例1步骤(2)中的硫源替换为2.0毫升叔十二烷基硫醇即可获得Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。图8为所制备材料的透射电镜照片,由图可知所得材料为异质二聚体结构。
实施例7
Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,采用以下步骤:
(1)将溶剂油胺、硝酸银和氯化亚锡置于反应器中,银和锡的摩尔比为0.08∶0.01,抽真空除水除氧,磁力搅拌,控温加热到60℃维持30分钟,使反应物充分溶解,此后将整个反应体系通入保护气直至反应结束;
(2)将上述反应体系控温加热到100℃,用注射器注入硫代硫酸钠,锡和硫的摩尔比为0.01∶0.06,加热到200℃并保持90分钟;
(3)待反应结束后,通过离心分离获得产物,并无水乙醇洗涤;在所得沉淀中加入三氯甲烷分散并以8000rpm的转速离心分离产物,将上层溶液取出挥发溶剂,即得到Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料,由单质Ag与Ag8SnS6复合而成,其中,单质Ag的物相为四方相,Ag8SnS6的物相为正交相,该纳米材料的微观结构为以Ag为顶点,Ag8SnS6为基座的金字塔状,其尺寸在10纳米,可以作为染料敏化太阳能电池对电极材料应用。
实施例8
Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,采用以下步骤:
(1)将溶剂十八碳烯、乙酰丙酮银和乙酸亚置于反应器中,银和锡的摩尔比为0.8∶0.1,抽真空除水除氧,磁力搅拌,控温加热到60℃维持30分钟,使反应物充分溶解,此后将整个反应体系通入保护气直至反应结束;
(2)将上述反应体系控温加热到180℃,用注射器注入正十二烷基硫醇,锡和硫的摩尔比为0.1∶0.6加热到300℃并保持10分钟;
(3)待反应结束后,通过离心分离获得产物,并无水乙醇洗涤;在所得沉淀中加入三氯甲烷分散并以8000rpm的转速离心分离产物,将上层溶液取出挥发溶剂,即得到Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料,由单质Ag与Ag8SnS6复合而成,其中,单质Ag的物相为四方相,Ag8SnS6的物相为正交相,该纳米材料的微观结构为以Ag为顶点,Ag8SnS6为基座的金字塔状,其尺寸在20纳米,可以作为染料敏化太阳能电池对电极材料应用。
对比例
步骤同实施例1,不同之处是将实施例1步骤(1)中的溶剂替换为9毫升十八碳烯和1毫升油胺即可获得Ag8SnS6纳米材料。图9为所制备材料的透射电镜照片,由图可知所得材料为纳米颗粒,图10为实施例1和对比例制得产物作为对电极材料制备成染料敏化太阳能电池的性能图。由于Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料中Ag和Ag8SnS6形成了整流接触的莫特-肖特基异质结,使电子更容易从半导体材料Ag8SnS6传递到Ag表面,即促进了电子和空穴的分离,从而提高了对电极材料对碘基电解质中I3 -的催化效果。因此,Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料相较于纯相的Ag8SnS6纳米材料具有更优异的染料敏化太阳能电池性能。
Claims (10)
1.Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,采用以下步骤:
(1)将溶剂、银源和锡源置于反应器中,抽真空除水除氧,磁力搅拌,控温加热到60℃维持30分钟,使反应物充分溶解,此后将整个反应体系通入保护气直至反应结束;
(2)将上述反应体系控温加热到100-180℃,用注射器注入硫源,加热到200-300℃并保持10-90分钟;
(3)待反应结束后,通过离心分离获得产物,并无水乙醇洗涤;在所得沉淀中加入三氯甲烷分散并以8000rpm的转速离心分离产物,将上层溶液取出挥发溶剂,即得到Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料。
2.根据权利要求1所述的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,所述的溶剂选自油胺、十八碳烯、油酸或脂肪酸中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,所述的银源选自硝酸银、醋酸银或乙酰丙酮银中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,所述的锡源选自草酸亚锡、硫酸亚锡、氯化亚锡、氯化锡、乙酸锡或乙酸亚锡中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,所述的银源和锡源中,银和锡的摩尔比为0.08-0.8∶0.01-0.1。
6.根据权利要求1所述的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,所述的硫源选自硫化钾、硫代硫酸钠、硫脲、二硫化碳、硫代乙酰胺、α-安息香肟、乙硫醇、叔十二烷基硫醇或正十二烷基硫醇中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,所述的锡源和硫源中,锡和硫的摩尔比为0.01-0.1∶0.06-0.6。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,制备得到的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料由单质Ag与Ag8SnS6复合而成,其中,单质Ag的物相为四方相,Ag8SnS6的物相为正交相。
9.根据权利要求8所述的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,制备得到的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料以Ag为顶点,Ag8SnS6为基座的金字塔状,其尺寸在10-20纳米。
10.根据权利要求1所述的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料的制备方法,其特征在于,制备得到的Ag-Ag8SnS6异质二聚体纳米材料作为染料敏化太阳能电池对电极材料应用。
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