CN1724383A - 一种制备一维纳米二氧化锡材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备一维结构的纳米SnO2材料的方法。其制备工艺流程为:将SnCl4·5H2O配成溶液,加入氨水使之形成沉淀,离心洗涤除去氯离子,加入草酸形成溶胶,经老化形成凝胶,凝胶经干燥、烧结,最终得到目的产物。其技术方案实质是通过控制化学反应的动力学因素,制备出高纯度的具有一维结构的纳米SnO2材料。本发明具有制备工艺简单,反应条件温和,原料和设备的成本较低等优点。本发明方法制备的一维结构纳米SnO2材料在高灵敏度气体传感器、透明电极等方面具有应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米氧化物半导体材料技术领域,它特别涉及一种制备一维结构SnO2的方法。
背景技术
SnO2是一种宽禁带半导体材料,被广泛用作气敏传感器,此外,其还具有一些独特的性质,例如具有高导电率、高透射率以及较好的化学和热稳定性等,这些性质可应用于很多技术领域,包括太阳能电池、液晶显示器、光探测器、保护涂层等。由于纳米SnO2由于具有较大的比表面积和较高的活性,使得它在对气敏、电导、光敏吸收方面有着广泛的应用前景。最近,由于独特的物理性质和潜在的应用前景,有关一维结构SnO2(纳米线或纳米带)的研究受到人们的青睐。现已证明,一维结构的SnO2有极高的气敏特性和良好的热稳定性,其不仅对环境污染气体CO和NO2等有非常高的灵敏度,而且可对乙醇进行分析,可用于食物的控制和呼吸气氛的检测。例如,在紫外光照射下,用单根SnO2纳米带做成的传感器不但在室温就可以探测ppm量级的NO2,而且具有体积小、快速、灵敏等优点。
已报道的制备SnO2纳米材料的方法很多,但主要涉及熔盐法和气相蒸发法。
熔盐法以纳米SnO2粉体为前驱物,以KCl为熔盐介质,在800℃退火处理可得到纳米线材。这种方法的局限在于要求前驱物颗粒必须足够小,如果颗粒尺寸超过100nm则得不到纳米线。
气相蒸发法以Sn、SnO、SnO2或他们的混合物为起始原料,首先将管式炉抽真空到1×10-3torr左右,再按一定的比例充入氩气和氧气,然后将原料在管式炉中高温蒸发,蒸发温度视原料的不同而异,如果用纯SnO2作原料,蒸发温度在1300℃以上。原料蒸气在氩气的携带下沉积在单晶Al2O3、单晶LaAlO3、或单晶Si基片上,基片温度保持在900℃-950℃。用这种方法可得到纳米线、纳米带和纳米颗粒等多种结构的纳米SnO2材料。气相蒸发法由于需要高温和真空等工艺条件,其原料要求纯度在99.9%以上,且需要单晶基片,因此其设备和生产的费用都较为昂贵。
因此,如何开发出一种设备要求简单、反应条件温和、原料便宜易得、又可实现大规模生产的制备一维结构纳米SnO2材料的方法是急需解决的问题。
溶胶-凝胶法是一种湿化学方法,与其他方法相比,其设备简单,产品的化学均匀性好,纯度高,还可方便地进行掺杂或共掺杂,可制备大面积薄膜。
迄今为止,尚未见用溶胶-凝胶法制备一维结构纳米SnO2材料的研究报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种设备要求简单、反应条件温和、原料便宜易得、又可实现大规模生产的制备一维结构纳米SnO2材料的方法。
本发明具体技术方案是通过控制化学反应的动力学因素,制备出高纯度的具有一维结构的纳米SnO2材料。
具体制备步骤如图1所示:
一、配制SnCl4水溶液。使用SnCl4·5H2O作为原料,将其溶于蒸馏水中,配制成一定浓度的SnCl4溶液,并用弱酸调节溶液的PH值,使其PH值控制在1-2之间。为了最终得到高纯度的SnO2,应当使用高纯度的SnCl4·5H2O原料,且最好是分析纯的SnCl4·5H2O;用弱酸调节PH值的目的是防止SnCl4水解。
二、加入氨水,直至溶液PH值为7-8之间,反应生成Sn(OH)4沉淀。加入氨水的方式最好采取缓慢滴加的方式,边滴加氨水边进行搅拌,整个反应过程最好控制在50℃左右的温度条件下进行。
三、取出Sn(OH)4沉淀,将其进行离心洗涤。采用离心设备,将Sn(OH)4沉淀进行离心洗涤,以除去Sn(OH)4沉淀上吸附的氯离子,洗涤过程可采用AgNO3溶液检验,未见新的沉淀物(AgCl)产生,则离心洗涤过程可以结束。
上述三个步骤可以概括为制备Sn(OH)4原料,实际生产过程中也可采取其他直接或间接的方法制备Sn(OH)4。
四、制备Sn(OH)4溶胶。将Sn(OH)4加入到草酸溶液中,控制PH值在1-2之间,温度在50℃左右,经超声分散并在搅拌条件下形成Sn(OH)4溶胶。
五、形成凝胶。将步骤四所制备的溶胶经24-48h老化形成凝胶。
六、干燥、研磨。将步骤五所得凝胶经100℃以上温度条件下干燥5-8h,除去吸附的水分,所得产物经研磨成粉末。
七、烘干、烧结。将步骤六所得粉未(Sn(OH)4)在250℃-500℃烧结,使其失去水分,再结晶得到目的产物(SnO2)。其中发生的化学反应为:
本发明的实质是在温和的环境下用溶胶-凝胶方法制备了一维结构的纳米SnO2材料。
本发明的有益效果:
用溶胶-凝胶法可成功制备金红石型SnO2一维结构,图2是经上述步骤所得样品的X射线衍射图,所有的衍射峰均对应于金红石相,没有发现杂相的衍射峰,这表本发明所得到的样品纯度很高。用本发明所制备的纳米SnO2具有丰富的形貌结构,这与气相蒸发法得到的结构类似。其不但包含有纳米棒和球形纳米颗粒(如图3所示),而且还包含有一维结构的SnO2(如图4所示)。纳米棒直径在40nm左右,长度约为400nm,纳米颗粒大小在10nm左右,一维结构的SnO2宽度在40纳米左右,长度至少在微米量级。
本发明提供的溶胶-凝胶法制备一维结构SnO2的方法,制备工艺简单,反应条件温和,原料和设备的成本较低,因此本方法具有巨大的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图;
图2为纳米SnO2的X射线衍射图;
图3为SnO2纳米棒和纳米颗粒的透射电镜照片;
图4为SnO2一维结构的透射电镜照片;
具体实施方式
将分析纯SnCl4·5H2O溶于蒸馏水中(PH值用盐酸或柠檬酸调节到1-2,以防止水解),配成浓度为0.5mol/1的溶液,溶液升温到50℃左右,保持恒温,在剧烈搅拌下加入28%的氨水溶液,控制滴加速度为1ml/min左右,直至溶液PH为7-8左右,形成沉淀。沉淀经离心洗涤除去氯离子(用0.5mol/1的AgNO3溶液检验),加入草酸溶液调节PH值为1-2,超声分散,在剧烈搅拌下升温到50℃左右,形成溶胶,溶胶经24-48h老化形成凝胶,凝胶经100℃干燥5-8h、250℃-500℃电阻炉中烧结0.5-1h得到目的产物。用XRD分析样品物相,用透射电镜(TEM)分析样品形貌,用X光电子谱(XPS)分析样品化学成分,用紫外-可见光吸收光谱测其禁带宽度。
Claims (3)
1、一种制备一维纳米二氧化锡材料的方法,其特征是包括以下步骤:
1)、配制SnCl4水溶液
使用SnCl4·5H2O作为原料,将其溶于蒸馏水中,配制成一定浓度的SnCl4溶液,并用弱酸调节溶液的PH值在1-2之间;
2)、加入氨水,直至溶液PH值为7-8之间,反应生成Sn(OH)4沉淀;
3)、取出Sn(OH)4沉淀,将其进行离心洗涤
采用离心设备,将Sn(OH)4沉淀进行离心洗涤,以除去Sn(OH)4沉淀上吸附的氯离子;
4)、制备Sn(OH)4溶胶
将Sn(OH)4加入到草酸溶液中,控制PH值在1-2之间,温度在50℃左右,经超声分散并在搅拌条件下形成Sn(OH)4溶胶;
5)、形成凝胶
将步骤四所制备的溶胶经24-48h老化形成凝胶
6)、干燥、研磨
将步骤五所得凝胶经100℃以上温度条件下干燥5-8h,除去吸附的水分,所得产物经研磨成粉末;
7)、烘干、烧结
将步骤六所得Sn(OH)4粉末在250℃-500℃下烧结,经热分解,再结晶即得到具有一维结构的纳米SnO2材料。
2、根据权利要求1所述的一种制备一维纳米二氧化锡材料的方法,其特征是,所述步骤1)中采用分析纯的SnCl4·5H2O;弱酸采用稀盐酸或柠檬酸;溶液浓度在0.5mol/l左右。
3、根据权利要求1所述的一种制备一维纳米二氧化锡材料的方法,其特征是,步骤2)所述的反应过程中,最好控制温度在50℃左右,并采取搅拌措施;加入氨水的方式最好采取缓慢滴加的方式,且氨水浓度在28%左右。
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