SnO₂納米粒子的粒徑調控①

廖照江 栗鵬偉

[摘 要]以SnCl4·5H2O為原料,用溶膠-凝膠法制備SnO2納米粉體,用XRD和TEM對其結構和形貌進行了表征,研究了煅燒溫度對SnO2納米粒子粒徑的調控作用。

[關鍵詞]二氧化錫 納米粉體 溶膠-凝膠法

[中圖分類號]TQ134.32[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0106-02

納米尺度的SnO2因為具有優異的氣敏特性[1]和光電性能[2]而倍受關注,廣泛應用于氣敏元件、催化劑、功能陶瓷、信息材料、染料敏化太陽能電池[3-5]等方面。制備SnO2 納米粒子的方法很多,其中,溶膠-凝膠法以有機醇鹽作為前驅體,具有成本低、制備簡單、產率大等優點,但易發生團聚,從而影響性能。本文采用機械分散(球磨)法,有效地降低了的團聚的發生,制備了不同粒徑的SnO2納米粒子。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

儀器:QM-3SP04行星式球磨機,DZF-6020型真空干燥箱,MSAL XD-2型X射線衍射儀,H-7500透射式電子顯微鏡等。

試劑:結晶四氯化錫、無水乙醇等均為商品購得的AR級試劑,以及自制的二次蒸餾水。

1.2 樣品制備

分別稱取一定量的SnCl4·5H2O溶于蒸餾水,配制成系列濃度的SnCl4溶液。然后以0.5mol·L-1的NH3·H2O作為沉淀劑,在攪拌條件下,將NH3·H2O逐滴加入到上述已配制好的滴入SnCl4溶液中,反應溫度控制在40-70℃之間,反應終點時溶液的pH控制在1.5-2.0之間(用0.5mol·L-1的HCl溶液調劑pH值),由此制得SnO2的前驅體Sn(OH)4溶膠。

將上述所得溶膠在室溫下放置老化3 h制成凝膠,用蒸餾水對凝膠進行抽濾洗滌,直至濾液中加入0.lmol·L-1的AgNO3溶液后無沉淀產生為止,用無水乙醇對濾餅進行洗滌除水,放入烘箱內80℃烘干24h,得到Sn(OH)4干凝膠,用球磨機研至粉末,再放入馬弗爐中,分別在500、600、700和800℃等4個不同溫度下焙燒,即可制得SnO2粉體。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

對500、600、700和800℃等4個溫度下的SnO2粒子進行了XRD分析,所得譜圖與41-1445標準XRD譜圖PDF卡片相符合,因此,所制備的SnO2粒子均為四方金紅石結構,圖1為600 ℃所制備的SnO2粒子的XRD譜圖(見圖1)。

2.2 TEM分析

圖2為不同溫度(500℃、600℃700℃、800℃)下煅燒所得SnO2的透射電鏡圖。4個溫度下所得SnO2均為100nm以下的納米粒子(見圖2)。

3 結果與分析

3.1 SnO2的晶型

根據所得XRD圖與標準XRD譜圖的PDF卡片對照,制備得的SnO2粒子均為四方金紅結構。由Scherrer公式計算得不同溫度下煅燒生成的SnO2粒子的平均晶粒尺寸大小各不相同,在20-100nm之間。

3.2 粒徑的變化

從圖2中可以看出,不同煅燒溫度下(500℃、600 ℃、700℃、800℃)所得SnO2的粉體顆粒的粒徑均小于100nm。4個溫度下的樣品顆粒規整、大小比較均勻,呈球狀和橢球狀,顆粒粒徑在20-100nm之間。

隨著溫度的升高,樣品的顆粒度逐漸增大:在500℃時,粉體樣品粒徑均勻,顆粒呈聚集狀態,粒徑大約為20nm;而溫度逐漸升高到600℃和700℃之后,樣品繼續生長,且粒徑分布逐漸變得均勻,分散性變好,粒徑也增加到50nm左右;而當溫度升高到800℃之后,顆粒從球狀逐漸生長為橢球棒狀顆粒,樣品團聚較為嚴重,粒徑增加到100nm。

產物粒徑隨煅燒溫度升高逐漸增大,這是由于溫度升高,晶界遷移速度加快,晶粒的徑向生長加快,晶體的粒徑就越大。按照實驗中所述,當固定反應溶液的 pH=2時,將凝膠干燥后,于600℃煅燒3 h,在此溫度下得到的樣品顆粒大致呈球形,分散性較好,粒徑約為30nm。

3.3 溫度對粒徑的影響

SnO2納米粒子的粒徑隨煅燒溫度升高逐漸增大,是由于影響晶粒長大的因素是晶核的形成速率和晶核徑向增長的速率之間比值不斷變化造成的。SnO2晶核的尺寸隨也隨兩者速率比值而改變。溫度升高,晶界遷移速度加快,晶粒的徑向生長加快,晶體的粒徑就越大。

4 結語

采用溶膠-凝膠法、并以機械分散法(球磨)防止團聚現象發生,容易得到20-100nm的SnO2納米顆粒。煅燒溫度對的SnO2納米顆粒的粒徑是影響是,隨著煅燒溫度由600、700和800℃升至900℃,SnO2粒子的粒徑會增大,在600℃、700℃時,有利于得到分散度較好的SnO2顆粒。

[參考文獻]

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[5] T.T.Emons,J.Q.Li,F.N.Linda. J.Am.Chem.Soc.,2002,124,8516-8517.

[作者簡介]

廖照江,性別:男,學歷:博士研究生,職稱:講師,研究方向:納米材料的合成及性能研究