CN1526637A - 一种Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法。该方法是采用水热/溶剂热法，通过将Sb或/和Bi元素和Se或/和Te元素的单质或化合物和/或掺杂元素的单质或化合物，按照最终产物化学成分所确定的比例混合于去离子水或有机溶剂中，并添加足够量的还原剂，密封于高压反应釜中，在100～300℃的温度下反应6～50小时，冷却后经过多次清洗后干燥，得到直径5～150纳米，壁厚1～25纳米，长度1～50微米，管端部开口或闭口的Bi2Te3基化合物纳米管。该方法具有工艺简便、成本低、合成温度低、周期短、产物纯度高、粒度小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体热电材料制备方法。具体说，是关于Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法。
背景技术
自1991年日本碳化学家饭岛(S.Lijima)首次发现碳纳米管(CNTs)以来，人们对碳纳米管的合成、结构、性能和应用等进行了广泛而深入的研究。碳纳米管因其具有独特的一维中空石墨片卷曲成的无缝管状结构，而具有一系列独特而优异的性质，如高度的化学稳定性、高的机械强度(理论计算表明，其抗拉强度是钢的100倍，而密度只有钢的1/6)、特异的电学性能(根据管径和螺旋度的不同，可以是比铜还好的导体，也可以是半导体)。碳纳米管是一类具有良好应用前景的材料，如今已被广泛应用于物理、化学、材料、电子技术等多个高科技领域。
自碳纳米管以来，其它各种一维管状纳米材料由于其特殊的结构和广泛的应用前景也备受关注，BN、BC3、BC2N、WS2、MoS2等纳米管相继面世，但仍然满足不了多个研究和应用领域的需求，更多材料和类型的纳米管仍有待于开发和研究。
Bi2Te3是一种窄带隙(禁带宽度为0.13ev)的半导体材料。Bi2Te3基化合物由于其同时具有高电导率和低热导率而成为目前性能最好的室温型热电材料，但其热电性能仍有待于进一步提高。Bi2Te3是由V、VI族元素构成的化合物，在化学稳定性较好的材料中，它是分子量最大的稳定二元化合物。Bi2Te3具有六面体准层状结构，在该结构的同一层上具有相同的原子种类。原子层间按“-Te-Bi-Te-Bi-Te-”方式排布，相邻两个Te层之间为范德华力结合。理论研究表明，该种纳米管的独特微观结构将可能产生独特的物理、化学特性，从而使该种材料具备特殊的输运特性而可用于制备高性能的热电材料；另外，Bi2Te3基化合物纳米管还将有可能在材料、物理、化学、电子等领域得到其它应用。
已有的纳米管制备通常采用PVD、CVD等方法，所用设备昂贵，工艺复杂，对原材料要求高，并常常需要借助激光、射线和催化剂等，使得制备成本大大提高。因此，开发新的成本低、能耗低、周期短、工艺简便的新型纳米管制备方法已成为材料学科研究的热点之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法。
本发明方法所要制备的Bi2Te3基化合物纳米管的组分和含量如下：
由Sb或/和Bi元素和Se或/和Te元素按原子比为1.9～2.1∶2.9～3.1的比例形成的p型或n型Bi2Te3基化合物，占材料总原子百分比的95～100％；
掺杂元素原子Sn、Pb、I、Br、Al或Li等中的一种或几种，占材料总原子百分比的0～5％。
Bi2Te3基化合物纳米管的几何特征是：直径5～150纳米，壁厚1～25纳米，长度1～50微米，管的端部开口或闭口。
本发明的Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法，是采用水热/溶剂热法，包括以下步骤：
1)将Sb或/和Bi元素和Se或/和Te元素的单质或化合物和/或掺杂元素的单质或化合物，按照最终产物化学成分所确定的比例混合于去离子水或有机溶剂中，最终产物的组分和含量如下：按Sb或/和Bi和Se或/和Te元素原子比为1.9～2.1∶2.9～3.1的比例形成的p型或n型Bi2Te3基化合物，占材料总原子百分比的95～100％，掺杂元素原子Sn、Pb、I、Br、Al或Li中的一种或几种，占材料总原子百分比的0～5％；
2)将上述混合液置于高压反应釜的反应容器内，添加足够量的还原剂，然后立即密封；
3)将反应容器升温至100～300℃范围内的某个温度并保温反应6～50小时后冷却到室温；
4)收集反应容器内的固体反应产物，经去离子水、有机溶剂和/或稀酸溶液多次清洗后干燥，得到本发明材料。
为了控制反应速度和生成产物的粒径，在步骤2)中可添加适量的碱性调节剂和络合剂。
上述步骤1)中所说的Sb或/和Bi元素和Se或/和Te元素的化合物和掺杂元素的化合物可以是氯化物、氧化物、硝酸盐、硫酸盐或碳酸盐等。
上述步骤1)中所说的有机溶剂可以是乙醇、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、吡啶、乙二胺、苯或甲苯等，所说的碱性调节剂可以是NaOH、KOH等，所说的络合剂可以是EDTA二钠盐、柠檬酸、柠檬酸钠或乙二胺四乙酸等。
上述步骤2)中所说的还原剂可以采用NaBH4、KBH4等碱金属的硼氢化合物或Na、K等碱金属。步骤4)中所说的有机溶剂可以是乙醇、丙酮、四氯化碳等。
本发明的Bi2Te3基化合物纳米管的水热/溶剂热制备方法具有工艺简便、成本低、合成温度低、周期短、产物纯度高、粒度小等优点。由本方法制得的Bi2Te3基化合物纳米管直径在5～150nm，平均长度在10微米数量级，纳米管壁厚在1～25nm之间，纳米管端部有开口和闭口两种形态。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细述。
实施例1
1)将分析纯BiCl3，高纯碲粉(＞99.99wt％)，按Bi∶Te原子比2∶3的比例配料后混合于无水乙醇中，并添加碱性调节剂NaOH。
2)将配制好的混合液置于高压反应釜(WDF-0.25型)的反应容器中(装填度为80％)，并在溶液中加入还原剂NaBH4，然后立即密封；
3)将反应容器加热升温至180℃并保温12小时。
4)反应完成后自然冷却到室温，收集釜底的粉末状反应产物，依次用去离子水、无水乙醇和丙酮反复清洗数次后，将粉末在100℃下真空干燥6h，得Bi2Te3纳米管。
实施例2
1)原料：将分析纯BiNO3和高纯碲粉(＞99.99wt％)按Bi∶Te原子比为2∶3的比例配料，并按Sn原子含量百分比为3％的比例添加分析纯SnCl2·2H2O。
2)将上述原料混合溶解于去离子水中，并添加少量络合剂EDTA二钠盐及一定量的KOH。
3)将上述混合液置于高压反应釜的反应容器内，添加足量的还原剂KBH4，然后立即密封；
4)将反应容器升温至150℃，并保温24小时进行反应，然后冷却到室温；
5)收集反应釜内的固体反应产物，经去离子水、无水乙醇、丙酮等有机溶剂的反复洗涤后于100℃下真空干燥6小时，得到Bi2Te3基纳米管。
实施例3
1)将分析纯BiCO3，高纯碲粉(＞99.99wt％)，高纯硒粉(＞99.99wt％)，按Bi∶Te∶Se原子百分比2∶2.5∶0.5的比例配料后混合于丙酮中，并添加足量KOH和少量柠檬酸钠。
2)将配制好的混合液置于高压反应釜(WDF-0.25型)的反应容器中(装填度为80％)，并在溶液中加入还原剂金属Na，然后立即密封；
3)将反应容器加热升温至120℃并保温48小时。
4)反应完成后自然冷却到室温，收集釜底的粉末状反应产物，依次用去离子水、无水乙醇和丙酮反复清洗数次后，将粉末在100℃下真空干燥6h，得到Bi2Te2.5Se0.5纳米管。
采用Rigaku-D/MAX-2550PC型X射线多晶衍射仪(CuKα射线，波长λ＝0.154056nm)分别对上述3个实施例的产物进行成分和结构分析，表明所得的产物分别为Bi2Te3、Bi2Te3和Bi2Te2.5Se0.5。采用JEM-2010(HR)型透射电子显微镜分别观察上述产物的颗粒大小和微观形貌，加速电压为200KV。结果表明3个产物均含纳米管，长度在1μm～50μm，直径在5～150nm，管壁厚度为1～25nm，且有开口和闭口两种形态。
Claims (7)
1.一种Bi2Te3基化合物纳米管制备方法，其特征是采用水热/溶剂热法，包括以下步骤：
1)将Sb或/和Bi元素和Se或/和Te元素的单质或化合物和/或掺杂元素的单质或化合物，按照最终产物化学成分所确定的比例混合于去离子水或有机溶剂中，最终产物的组分和含量如下：按Sb或/和Bi和Se或/和Te元素原子比为1.9～2.1∶2.9～3.1的比例形成的p型或n型Bi2Te3基化合物，占材料总原子百分比的95～100％，掺杂元素原子Sn、Pb、I、Br、Al或Li中的一种或几种，占材料总原子百分比的0～5％；
2)将上述混合液置于高压反应釜的反应容器内，添加还原剂，然后立即密封；
3)将反应容器升温至100～300℃范围内的某个温度并保温反应6～50小时后冷却到室温；
4)收集反应容器内的固体反应产物，经去离子水、有机溶剂和/或稀酸溶液多次清洗后干燥，得到本发明材料。
2.根据权利要求1所述的Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法，其特征是在步骤2)中添加碱性调节剂和络合剂。
3.根据权利要求2所述的Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法，其特征是所说的碱性调节剂是NaOH、KOH，络合剂是EDTA二钠盐、柠檬酸、柠檬酸钠或乙二胺四乙酸。
4.根据权利要求1所述的Bi2Te3基化合物纳米管制备方法，其特征是步骤1)中所说的Sb或/和Bi元素和Se或/和Te元素的化合物和掺杂元素的化合物，是氯化物、氧化物、硝酸盐、硫酸盐或碳酸盐。
5.根据权利要求1所述的Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法，其特征是步骤1)中所说的有机溶剂是乙醇、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、吡啶、乙二胺、苯或甲苯。
6.根据权利要求1所述的Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法，其特征是步骤2)中所说的还原剂是NaBH4、KBH4碱金属的硼氢化合物或金属Na、K碱金属。
7.根据权利要求1所述的Bi2Te3基化合物纳米管的制备方法，其特征是步骤4)中所说的有机溶剂可以是乙醇、丙酮、四氯化碳。
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