不同粒度的In2O3納米立方體的制備

王源濤，薛永強，崔子祥，王夢穎

(太原理工大學 化學化工學院，山西 太原 030024)

納米In2O3作為一種重要的半導體材料，在光催化[1-3]、電極[4]、氣體傳感器[5-7]等方面具有廣泛應用。不同粒度的納米In2O3具有不同特性，對其應用有很大影響。徐甲強等[8]通過水熱法合成了不同粒度的In2O3納米立方體，發現煅燒溫度升高，粒徑增大，且粒徑對其氣敏性有影響。Liu等[9]通過水熱法制備出不同粒徑的In2O3納米球，發現小粒徑納米In2O3具有更好的氣敏性。因此，制備不同粒度的納米In2O3具有重要意義。

納米In2O3的制備方法主要有溶膠-凝膠法[10]、溶劑熱法[11-13]和化學氣相沉積法[14-16]等。文獻[17]中使用In(NO3)3、檸檬酸、氨水和尿素作為反應物，通過控制反應物的比例，制備出不同粒度的球形納米In2O3。本文通過對文獻方法的改進，使用NaOH作為堿源，并使用了不同的形貌控制劑，通過水熱法制備出了不同粒度的In2O3納米立方體并討論了不同條件對其形貌和粒度的影響規律。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

In(NO3)3·4.5H2O、檸檬酸、氫氧化鈉、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、油酸鈉均為分析純。

6000型X射線衍射儀；JSM-7001F型場發射掃描電子顯微鏡；BS224S型電子天平。

1.2 制備步驟

將0.5 mmol In(NO3)3·4.5H2O與1.5 mmol檸檬酸溶于30 mL蒸餾水中，再加入一定量的氫氧化鈉和表面活性劑，均勻攪拌至完全溶解后轉入50 mL 聚四氟乙烯水熱反應釜中，在180 ℃下反應一定時間，冷卻到室溫后，用蒸餾水和無水乙醇離心洗滌若干次，60 ℃下烘干，在400 ℃下煅燒2 h得到淡黃色納米In2O3。

1.3 表征

利用X射線粉末衍射儀(Cu Kα，λ=0.154 178 nm)對實驗制備的不同粒徑的納米In2O3進行物相鑒定，掃描范圍在20～80°，掃描速率為8(°)/min(2θ)。使用場發射掃描電鏡對產物的形貌進行表征。

2 結果與討論

2.1 形貌控制劑的種類和用量對納米In2O3形貌的影響

其它制備條件不變，分別加入0.2 g SDS，0.2 g油酸鈉和0.2 g PVP 作為形貌控制劑，與不加形貌控制劑進行比較，結果見圖1。

圖1 加入不同形貌控制劑生成的納米In2O3的SEM圖Fig.1 SEM images of nano-In2O3 synthesized with different kinds of surfactantsa.SDS；b.油酸鈉；c.PVP；d.無形貌控制劑

由圖1可知，形貌控制劑采用SDS時，產物形貌為球形，形貌控制劑采用油酸鈉或者不加形貌控制劑時，產物為不規則形貌；而形貌控制劑采用PVP時，產物形貌為立方體。原因是不同的形貌控制劑選擇性吸附在特定的晶面上，使得不同晶面的生長速率不同，導致了不同形貌的產生。

改變PVP的用量得到納米In2O3的SEM圖見圖2。

圖2 加入不同PVP的量所得到的納米In2O3的SEM圖Fig.2 SEM images of nano-In2O3 synthesized with different dosage of PVPa.0.1 g；b.0.2 g；c.0.3 g；d.0.4 g；e.0.5 g；f.1 g

由圖2可知，當PVP的用量>0.3 g時，隨著用量的增大，產物形貌逐漸變差并出現團聚。而PVP的量對產物粒度影響不大。

2.2 氫氧化鈉的用量對產物的影響

其它制備條件不變，分別加入3，4.5，6，7.5 mmol 的氫氧化鈉，結果見圖3。

圖3 加入不同氫氧化鈉的量所得到的納米In2O3的SEM圖Fig.3 SEM images of nano-In2O3 synthesized with different dosage of NaOHa.3 mmol；b.4.5 mmol；c.6 mmol；d.7.5 mmol

由圖3可知，隨著氫氧化鈉的量的增加，產物形貌逐漸變差。原因是隨著氫氧化鈉濃度的增大，體系過飽和度變大，反應驅動力增強，導致成核和生長速率過快，使得形貌難以控制。

2.3 反應時間對產物的影響

其它制備條件不變，水熱時間分別為6，12，18，24，48 h。圖4為不同水熱時間下得到的In2O3納米立方體的XRD圖。

圖4 不同反應時間得到的納米In2O3的XRD圖Fig.4 XRD patterns of nano-In2O3 synthesized underdifferent reaction timea.6 h；b.12 h；c.18 h；d.24 h；e.48 h

由圖4可知，四個主要特征峰對應(222)，(400)，(440)和(622)晶面，與立方鐵錳礦晶型的標準衍射卡片JCPDS06-0416完全一致，無任何雜峰且峰型尖銳，說明所制備產物結晶性良好且純度較高。

圖5為不同水熱時間得到的In2O3的SEM圖。

由圖5可知，隨著水熱時間的增加，產物的粒度減小。其原因為在反應初始階段，反應物濃度很大，在奧斯特瓦爾德熟化[18]的機制下開始形成晶核并生長，此時生長速率遠大于溶解速率，當反應進行到一定程度時，溶液中的反應物濃度逐漸減少，晶粒的生長速率變小，此時溶解速率大于生長速率，導致產物粒徑減小。

圖5 不同反應時間所得到的納米In2O3的SEM圖Fig.5 SEM images of nano-In2O3 synthesized underdifferent reaction timea.6 h；b.12 h；c.18 h；d.24 h；e.48 h

3 結論

通過水熱法制備出了平均邊長在30.7～130.6 nm的In2O3納米立方體，通過XRD和SEM表征表明制得樣品的純度和結晶性較高，形貌規整且分散性良好。通過對反應條件的探究，發現形貌控制劑的種類和使用量以及氫氧化鈉的用量會影響產物的形貌，不加形貌控制劑或形貌控制劑采用油酸鈉時，產物形貌不規則；形貌控制劑采用SDS與PVP時，產物形貌分別為球形與立方體。PVP的用量>0.3 g時，產物形貌變差，繼續增大用量產物發生團聚；氫氧化鈉的用量>3 mmol時，產物形貌開始變差。水熱時間會對In2O3的粒徑產生影響，反應時間從6 h增加到48 h，In2O3的粒度隨著反應時間的增加而減小。這些結果，對納米In2O3的制備和應用具有重要的指導意義和實用價值。