水熱法制備納米Bi2S3及其形貌研究

邱世杰　王紅宇　王天倚　王浩　何亮

【摘? 要】納米技術作為現代科學的一門重要研究課題，被廣泛地應用在能源與環境、信息技術、產品加工及設備制造中。本文通過研究納米材料中的Bi₂S₃來認識納米材料，實驗以硝酸鉍和硫代乙酰胺為原料，采用水熱法在80℃、12h的條件制備反應物，并且通過SEM進行樣品分析。最后對納米技術可能產生的不良影響進行了討論。

【關鍵詞】納米材料;硫化鉍;表征分析

一、前言

在當今世界科學技術的發展是人類文明前進的源泉和動力。國內，先后制定實施了“國家攻關計劃”、“863”計劃、“973”計劃，逐年提高研發資金使我國在納米技術發明方面的專利申請總量排名世界第三，僅次于美國和日本。總之，納米技術正在成為下一次工業革命的關鍵與焦點，正如錢學森院士所預言的那樣：“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發展的特點，會是一次技術革命，從而將是21世紀的又一次產業革命。”^[1]_。

科學家逐漸開始積極地深入開展對于這種納米微小顆粒的化學結構、性質和形態的科學研究，隨著現代科學家用于觀測和控制物質的工具和技術的進步與發展，更多的科學家掌握控制原子級或者分子級別的物質的能力，這也就使得人們對于納米材料有了進一步的理解和認識。

在納米尺寸上，物體的各種量子物理、化學和生物學特性會就可能與其他不同類型的塊狀材料有著巨大的差異。^[2]比如納米材料所具備的體積效應、表面效應、量子尺寸、量子隧道和介電限域。利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質，可以改變顆粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一種頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁屏蔽，隱形飛機等^[3]。這些特性給納米材料帶來明顯的發展優勢。其中對于應用材料和機械制造業、電子和移動信息集成技術、能源環保等諸多領域已經有著重要應用。

Bi₂S₃是納米材料中重要的一員，在熱電、光電和紅外光譜學以及生物醫療等領域具有較高的應用價值。本文通過采用水熱法來研究如何合成Bi₂S₃納米材料。目前關于Bi₂S₃的報道也取得不少的成果，Zhao等人制備了一種用于降解污染的硫化鉍光催化劑，該實驗以硝酸鉍和硫脲為原料，以尿素作為礦化劑，低溫水熱反應合成結晶良好的Bi₂S₃樣品，發現小尺寸棒狀結構在水熱溫度120℃，水熱時間12h，礦化劑濃度1.0mol/L的條件下的Bi₂S₃對羅丹明B溶液的降解率可達92.3%。Zhang等人制備一種硫化鉍/碳和鈦包覆納米管復合材料以及和石墨烯納米棒復合材料作為鈉離子電池負極材料中的應用。發現與未經包覆的納米管相比有效的解決了材料產生的體積膨脹的問題。然后石墨烯的加入使得Bi₂S₃納米棒的分散性很好，沒有產生明顯的團聚現象，提升了材料的導電性能，大大增強了電池的循環性能。

Bi₂S₃納米材料如何廣泛應用不僅與其自身的結構性能有關，還在一定程度上主要依賴于顆粒尺寸大小和形貌特征。因此本次實驗將通過制備一種形貌獨特的Bi₂S₃納米材料，探索它們的合成環境（如時間、溫度、配比等）與形貌的相互關系，并對樣品進行表征分析。

二、實驗方法

用電子天平稱取0.15g硫代乙酰胺，溶于去離子水中，經過充分攪拌，最后得到溶液A;再用電子天平稱取0.48g硝酸鉍，溶解于N，N-二甲基甲酰胺，攪拌得到溶液B。然后將上述兩種試劑溶液共同混合，放置在裝有磁力鍋的攪拌器中至完全充分溶解。將混合好后的溶液轉移至80ml的高壓反應釜中，再將其放入80℃的高溫真空加熱的烘箱中繼續反應12h。反應結束等到自然冷卻完成后取出反應釜，將得到的綠色液體使用真空抽離，抽離過程中需要多次進行超聲和離心處理。最后將得到的沉淀物置于陰涼干燥處保存。

三、結果與討論

以硫代乙酰胺和硝酸鉍為原料，80℃、12h水熱反應所得產物的SEM圖如圖1所示，由圖可知產物由大小不一的納米花結構組成菊花狀圖像。這些納米花是由長0.03～0.05μm、直徑15～20nm的單根納米棒從各自的中心點向四周呈放射狀發散出去。實驗研究發現反應原料對產物的形貌具有明顯的影響，采用CS（NH₂）₂作為硫源來制備金屬硫化物形貌的生成手段已被研究者普遍使用。實驗中的硫源與溶液中的鉍粒子形成復合物，這些復合物將Bi₂S₃包裹起來使其沿著包裹較弱的方向生長，形成了從中心發散的納米棒狀結構，隨后這些納米棒發生團聚現象成為所觀察到的花狀Bi₂S₃結構。

四、結論

本實驗中以硝酸鉍為鉍源，硫代乙酰胺為硫源，在溫度80℃、時間12h的條件下成功制備出結晶良好、純度高的Bi₂S₃納米花，并對其所得產物進行SEM分析。

人們通過對納米技術的不斷探索應用重新塑造我們的生活方式，推動著我們各行各業的進步，產生了廣泛的社會影響力。但是需要我們注意的是事物的發展都伴隨雙面性，納米技術的發展伴隨著健康和安全問題，納米材料制造業中產生的工業排放及其納米產品用后的處理給人們健康和生活環境是否造成不良影響，這些都需要我們仔細考慮。制定監管措施，同時進行潛在問題的相關研究等等辦法才能有效駕馭納米技術。

參考文獻：

[1]朱曉彬.納米金顆粒的制備、表征和組裝[D].中國科學科技大學，2015

[2]中國納米科學與技術發展狀況（自然科研白皮書）

[3]楊奇.一維硫化鉍納米/微米結構的合成及性質研究[D].重慶大學物理學院，2015