納米二氧化錫的應用研究進展

段富良 王梅（云南錫業股份有限公司化工材料分公司）

引言

納米材料具有成本低、發光頻段變化范圍廣等特色，并且正向著新型、微型、多功能型、高效型等目標前進，并且逐漸滲透進醫學、能源、生物技術、航天航空等領域，并占有重要的地位，為這些領域注入了新的活力和機遇，未來發展前景一片大好。

在眾多的納米材料中，納米二氧化錫獲得了更好的應用。納米SnO2是一種四方類型晶體，具有金紅石結構，有D144n[P42/mol]的空間群。每個單位晶胞由6個原子組成，4個氧原子，2個錫原子，任一錫原子位于6個氧原子構成的類似八面體的中心位置，任一氧原子位于3個錫原子構成的等邊三角形的中心位置。

一、納米二氧化錫的特性

納米二氧化錫具有很多特性，主要表現在光學和電學方面，并且在實際應用中占有無可取代的位置，彌足輕重。只有對這些性質充分了解和掌握，才能推動各領域的改革發展。

1.光學特性

納米二氧化錫的光學特性是通過摻雜其它特性物質構成化合物來改變其原有特性，賦予新的特性。SnO2對可見光的通透性較好，即使在溶液中也有很好的化學穩定性，導電性良好且能反射紅外線輻射。由于SnO2具有小尺寸效應和表面效應，使得其在光電熱磁等方面都有顯著的改變，經常被制造成納米傳感器材料。其中較為成熟的技術應用，主要有太陽能電池、光電子裝置、防紅外探測保護、液晶顯示等。

2.電學特性

二氧化錫還是一種良好的透明的導電性材料。SnO2的電子結構由Sn的5S2和5P2構成導帶，O的2S2和2P4構成了價帶，任何一個O原子的2P軌道接收Sn原子的兩個電子構成穩定的八面體。因為Sn原子的5S為寬帶，所以在此形成的SnO2導體為寬帶半導體。SnO2的禁帶寬度約為3.5到4電子伏特，當其表現為導電膜時，主要通過晶體缺陷形成的載流子提供電量。且隨著溫度的變化其導電性也會發生變化，在實際應用中通常是將其加熱到特性要求的溫度，然后制造成納米材料或者器件，具有很強的靈敏度，將其應用到傳感器中效果非常明顯；還由于其具有較強的抗靜電性，逐漸被應用到光電顯示設備制作和透明電極制作中，具有很強的實際應用意義。

二、二氧化錫的應用

由于二氧化錫具有金屬氧化物類型的半導體材料特性，摻雜其它物質處理改變其光學及電學特性，使其特性更加鮮明，在很多領域得到了廣泛應用。其三種不同的特性主要表現在氣體傳感器、化工催化和電池電極的應用性研究。

1.氣體傳感器應用

SnO2材料的氣敏元件通常具有結構比較簡單、靈敏度較高、選擇特性良好、經濟、使用周期長等特征，在易燃易爆及有害氣體成分檢測中應用頗為廣泛。現在市場流通的氣體傳感器件中金屬氧化物類型約為總量的95%，SnO2氣敏傳感器尤為常見。基于SnO2，摻雜如氧化錳等金屬混合物，用來檢測環境中的氫氣、硫化氫、二氧化氮、一氧化碳、乙烷等的含量。

在二氧化錫材料中添加MoO3，當其含量達到10%，操作溫度170℃時，薄膜對二氧化氮的反應靈敏度提高，能達到原來的3.6倍。同時曾文等通過摻雜不同比例的二氧化鈦及少量銀離子制成甲醛氣敏元件。當其工作溫度達360℃時對甲醛的反應靈敏度能到達30。還用其它材料進行比較，如Ni2+和Sb2+等，結果顯示摻雜金屬離子能提升器件的氣敏特性，Ag效果更為明顯。

衡量氣敏材料性能的一項重要指標是其對氣體的選擇性。多數研究證明摻雜In的SnO2的傳感器提高了其對甲烷的靈敏性，但卻降低了氫氣靈敏性。但是鉑摻雜卻能提高氫氣靈敏度，降低甲烷靈敏度。所以甲烷氫氣的混合氣體，能夠通過In金屬摻雜傳感器設備區分開來。

2.化工催化應用

在化學有機合成應用中，轉化官能團及擴張環都有很重要的實際意義和應用價值。學者李靜霞等通過多次試驗發現在多種形式的催化劑中尤其是復合金屬氧化物MgO和SnO2的催化活性性能最好。當二者摩爾比達到7:3，焙燒溫度提高到600℃，環己酮轉化能達到90.5%,并且對己內酯的選擇性為全部。這種物質的催化劑活性明顯提高，好于其它類型催化劑，并且制備簡單，在工業應用中擁有很好的潛力。

固體超強酸的酸性強于純硫酸，是某些有機合成反應中良好的催化劑，催化作用極強，污染小，且物質分離簡單。制備時，常在SnO2材料中添加稀土元素等多種方式提高超強酸性能，其中Sn等構成的復合型酸的性能更為優異，一直是研究的重中之重。經過研究發現稀土元素Ce及La都能提高甲基乙烯基酮的選擇特征。

3.電學性能應用

SnO2是和ZnO相類似的n型半導體中的一種，其在壓力材料應用中具有較好的優勢，其應用范圍更加廣泛。但SnO2也有不足之處，在低溫環境中會產生嚴重的表面擴散現象，且在高溫燒結時SnO2還擁有較高的蒸汽分壓，造成SnO2陶瓷結構內部較為疏松，致密度降低。故常采用摻雜和制備來改善并提高SnO2壓敏電阻器件的致密度和非線性性能。

以前的經驗說明納米SnO2擾亂了鋰離子電池反應的前后體積，導致電池結構變形，性能不穩定，降低電池循環利用性能及使用壽命。研究證明，摻雜物能改善其穩定性，并且改變了SnO2的分子內部機構，增強其結構穩定性能，能提高電池中的鋰離子的儲蓄能力，使得合金反應循環性增強。

較為廣泛的應用是摻雜氧化銅的納米SnO2材料，該材料的可逆容量達到每毫克752毫安，即使循環60多次后該其容量保持性能仍能保證原性能的93.6%，具有較高的穩定性，因此摻雜氧化銅可以較有效地提升SnO2的循環性。

結論

在納米材料應用中，SnO2占有很重要的位置，在科學、醫學、能源、生物技術、航天航空等領域都獲得了較為廣泛的應用，隨著研究的深入，其應用前景會越來越廣闊。納米SnO2摻雜一些物質之后能顯著提升其光學性能及電學性能，隨著科技的進步納米SnO2的更多特性將會被不斷地挖掘出來，具有更廣闊的應用空間。

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