高頻等離子體法制備納米氧化錫

高躍生，王　翔

(貴州正業工程技術投資有限公司，貴州　貴陽　550005)

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高頻等離子體法制備納米氧化錫

高躍生，王翔

(貴州正業工程技術投資有限公司，貴州貴陽550005)

采用高頻等離子體為熱源，以普通微米級氧化錫粉體為原料制備了高純氧化錫納米粉末。用X射線衍射儀、透射電鏡(TEM)和X射線小角散射法(SAXS)對高純氧化錫納米粉結構、形貌、粒度及其分布進行了表征；用BET吸附法測定其比表面積。結果表明：該氧化錫晶型為正方晶系，中位粒徑為16.7 nm，結果與SAXS和TEM測試結果吻合，制備的納米SnO2粒徑細、粒徑分布窄、結晶度完整。并探討了此方法的實驗機理。

高頻等離子體法；氧化錫；氣相冷凝；納米粉體

二氧化錫是重要的半導體材料，被廣泛應用于有機物的催化氧化、電極觸點、電池以及光學技術中[1-3]。當前，氧化錫作為一種氣敏材料的應用研究較為深入，尤其是針對H2(氫氣)，C2H5OH(酒精)，CO(一氧化碳)等易燃性氣體的探測靈敏度較高。它的作用機理是表面吸附型，粉體尺寸越小，比表面積越大，氣敏元件靈敏度便越高。因此，近些年來探索各種制備方法以獲得粒徑小，比表面積大的納米SnO2粒子已成為該領域的研究重點。

根據國內外相關文獻報道，納米級氧化錫的制備方法主要有：水熱法、化學共沉淀法、噴霧燃燒法、微波水解法、Sol-Gel法等[4-20]，均成功制備實驗室規模納米級氧化錫，各種方法各有優劣，如：噴霧燃燒法易于投入工業生產，相應設備成熟，但制備的納米氧化錫粒子粒徑分布范圍廣且該法設備投入大，化學共沉淀法生產的納米SnO2在使用過程中不易分散，粒子易團聚，且制備過程中使用的其他試劑給最終的納米氧化錫產品純度帶來了影響，增加了粒子的水洗環節。本文采用高頻等離子體法來研制納米氧化錫，用等離子體法制備納米粉末有許多用其他方法所不具備的優點：高頻等離子體放電室中心溫度一般可達7000～10000℃，高頻感應等離子體的原理是LC振蕩，只有線圈，不使用電極，故不會由于電極損耗帶來產品污染，有利于制備高純度的粉體；反應物在高溫區停留時間較長，使氣相反應很充分。與液相法相比，通常氣相法制備的粉體產品具有表面活性高、結晶組織好、無三廢污染等特點。

1　實　驗

1.1實驗裝置

本實驗裝置采用功率為100 kW的高頻等離子體發生器，高頻等離子體炬主要由三部分組成：高頻電源、放電室、等離子體工作氣供給系統；粉料通過載氣輸送入等離子體放電室和反應器，氣化后經冷凝系統驟冷后收集成品。

1.2結構表征及性能測試

樣品的XRD測試采用日本理學DMAX2000 X射線衍射儀進行，工作電壓40 kV，工作電流100 mA，掃描速度0.02 °/s；X 射線小角散射(SAXS)粒徑分布使用Philips X’Pert MPD Pro 高分辨衍射儀進行測試，測試參數：工作電壓40 KV，工作電流40 mA；TEM測試是在H-700型透射電子顯微鏡上完成；樣品的比表面積是在ST-A08比表面積測試儀上完成。

1.3原料與制備

實驗采用的原料購自云南錫業99.85%品級的普通微米級氧化錫。普通微米級氧化錫在放電室內被迅速加熱，并在反應器內經過較長時間的停留充分氣化，粉料通過載氣輸送入等離子體放電室和反應器，氣化后經冷凝系統驟冷后收集重新沉積、收集即得。

2　結果與討論

2.1產品物相分析

圖1是微米級SnO2經高頻等離子體放電室和反應室高溫氣化后驟冷收集的產品XRD圖。經分析：此法制備的納米SnO2XRD圖譜與標準卡片庫對比歸屬于正方晶系的SnO2(PDF：41-1445，其空間群為P42/mnm(136)，其中a=4.738，b=4.738，c=3.187)。

圖1　納米SnO2粉末的XRD圖譜

2.2粒徑分析

圖2是樣品放大9萬倍的TEM圖。測試結果表明：SnO2樣品形貌為球形粒子，氧化錫粒子粒徑分布均勻，粒子間隨機地聚集在一起，分析指出小顆粒在10 nm左右，大顆粒在30 nm 左右。

圖2　納米SnO2的TEM形貌圖

進一步分析樣品粒子分布情況，采用SAXS法對樣品進行測試。圖3為樣品粒徑統計分布圖，X 射線小角散射結果表明：該法所制備的納米氧化錫中位粒徑(D50)為16.7 nm，平均粒徑為61.5 nm，粒子粒徑主要分布在1～40 nm區域內，該結果和TEM圖中的氧化錫粒徑基本一致。

圖3　SnO2納米粉體的粒度分布圖

2.3比表面積分析

納米氧化錫的比表面積使用BET氮氣吸附法測得，樣品的比表面積Sw為63.18 m2/g。根據TEM圖，粒子形貌為球形，故可以采用經驗公式d=6/(ρSw)去推算粒子粒徑，其中，ρ為樣品粒子密度(該處取氧化錫密度6.95 g/cm3)，d為所需計算的粒子直徑。經計算：納米氧化錫粒子的平均直徑d為14.1 nm，計算結果與X 射線小角散射測得的結果基本吻合。

2.4實驗機理的探討

高頻等離子體法制備納米氧化錫的機理比較簡單，利用高頻等離子體炬產生的高溫，微米級的氧化錫經放電室、反應室停留氣化后，采用高速冷空氣驟冷，使得粒子來不及長大，從而得到粒徑分布窄的納米級氧化錫產品。等離子體反應器充分考慮了等離子體弧的熱流場和氣體的速度流場，保證了納米材料形成過程均勻可控，在高頻等離子體法制備納米材料的過程中，材料的生長習性得到充分展示，能夠獲得結晶度高、表面結晶完整的納米金屬氧化物材料。

3　結　論

實驗以高頻等離子體為熱源，通過等離子體放電室和反應室高溫氣化處理，冷凝后成功制備出納米氧化錫粉末，結果表明：該氧化錫晶型為正方晶系，中位粒徑為16.7 nm，平均粒徑為61.5 nm，比表面積為63.18 m2/g；制備的納米SnO2粒徑細、粒徑分布窄、結晶度完整。并對該法的實驗機理做了簡單的探討。

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Preparation of Nano-SnO2by High-frequency Plasma

GAO Yue-sheng,WANG Xiang

(Guizhou Zhengye Engineering & Investment Corporation Limited,Guizhou Guiyang 550005,China)

Micron grades SnO2powders are used for producing nano-meter SnO2by method of High-frequency plasma(HFP).The product by this process was characterized by X-ray diffraction,transmission electron microscopy(TEM)and small angle X-ray scattering method(SAXS)to determine structure,morphology,the particle size and particle size distribution.Brunauer-Emmett-Teller(BET)surface area analyser was used to measure the specific surface area of the powder.The results showed that the tetragonal structure of SnO2was determined from its X-ray powder diffraction data.The middle level diameter(D50)of the particles was 16.7 nm,which was well in agreement with results of SAXS and TEM.The SnO2nanoparticles obtained were well-crystallized with small size and narrow particle size distribution.And the experiment mechanism was discussed.

high-frequency plasma；SnO2；condensation；nanopowders

高躍生(1985-)，男，碩士研究生，2010年畢業于四川大學材料科學與工程學院納米材料與納米技術專業，助理研究員，主要研究方向等離子體法制備納米金屬氧化物。

TB383

A

1001-9677(2016)06-0080-03