SnO2纳米粒子的粒径调控①

廖照江 栗鹏伟

[摘 要]以SnCl4·5H2O为原料,用溶胶-凝胶法制备SnO2纳米粉体,用XRD和TEM对其结构和形貌进行了表征,研究了煅烧温度对SnO2纳米粒子粒径的调控作用。

[关键词]二氧化锡 纳米粉体 溶胶-凝胶法

[中图分类号]TQ134.32[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0106-02

纳米尺度的SnO2因为具有优异的气敏特性[1]和光电性能[2]而倍受关注,广泛应用于气敏元件、催化剂、功能陶瓷、信息材料、染料敏化太阳能电池[3-5]等方面。制备SnO2 纳米粒子的方法很多,其中,溶胶-凝胶法以有机醇盐作为前驱体,具有成本低、制备简单、产率大等优点,但易发生团聚,从而影响性能。本文采用机械分散(球磨)法,有效地降低了的团聚的发生,制备了不同粒径的SnO2纳米粒子。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

仪器:QM-3SP04行星式球磨机,DZF-6020型真空干燥箱,MSAL XD-2型X射线衍射仪,H-7500透射式电子显微镜等。

试剂:结晶四氯化锡、无水乙醇等均为商品购得的AR级试剂,以及自制的二次蒸馏水。

1.2 样品制备

分别称取一定量的SnCl4·5H2O溶于蒸馏水,配制成系列浓度的SnCl4溶液。然后以0.5mol·L-1的NH3·H2O作为沉淀剂,在搅拌条件下,将NH3·H2O逐滴加入到上述已配制好的滴入SnCl4溶液中,反应温度控制在40-70℃之间,反应终点时溶液的pH控制在1.5-2.0之间(用0.5mol·L-1的HCl溶液调剂pH值),由此制得SnO2的前驱体Sn(OH)4溶胶。

将上述所得溶胶在室温下放置老化3 h制成凝胶,用蒸馏水对凝胶进行抽滤洗涤,直至滤液中加入0.lmol·L-1的AgNO3溶液后无沉淀产生为止,用无水乙醇对滤饼进行洗涤除水,放入烘箱内80℃烘干24h,得到Sn(OH)4干凝胶,用球磨机研至粉末,再放入马弗炉中,分别在500、600、700和800℃等4个不同温度下焙烧,即可制得SnO2粉体。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

对500、600、700和800℃等4个温度下的SnO2粒子进行了XRD分析,所得谱图与41-1445标准XRD谱图PDF卡片相符合,因此,所制备的SnO2粒子均为四方金红石结构,图1为600 ℃所制备的SnO2粒子的XRD谱图(见图1)。

2.2 TEM分析

图2为不同温度(500℃、600℃700℃、800℃)下煅烧所得SnO2的透射电镜图。4个温度下所得SnO2均为100nm以下的纳米粒子(见图2)。

3 结果与分析

3.1 SnO2的晶型

根据所得XRD图与标准XRD谱图的PDF卡片对照,制备得的SnO2粒子均为四方金红结构。由Scherrer公式计算得不同温度下煅烧生成的SnO2粒子的平均晶粒尺寸大小各不相同,在20-100nm之间。

3.2 粒径的变化

从图2中可以看出,不同煅烧温度下(500℃、600 ℃、700℃、800℃)所得SnO2的粉体颗粒的粒径均小于100nm。4个温度下的样品颗粒规整、大小比较均匀,呈球状和椭球状,颗粒粒径在20-100nm之间。

随着温度的升高,样品的颗粒度逐渐增大:在500℃时,粉体样品粒径均匀,颗粒呈聚集状态,粒径大约为20nm;而温度逐渐升高到600℃和700℃之后,样品继续生长,且粒径分布逐渐变得均匀,分散性变好,粒径也增加到50nm左右;而当温度升高到800℃之后,颗粒从球状逐渐生长为椭球棒状颗粒,样品团聚较为严重,粒径增加到100nm。

产物粒径随煅烧温度升高逐渐增大,这是由于温度升高,晶界迁移速度加快,晶粒的径向生长加快,晶体的粒径就越大。按照实验中所述,当固定反应溶液的 pH=2时,将凝胶干燥后,于600℃煅烧3 h,在此温度下得到的样品颗粒大致呈球形,分散性较好,粒径约为30nm。

3.3 温度对粒径的影响

SnO2纳米粒子的粒径随煅烧温度升高逐渐增大,是由于影响晶粒长大的因素是晶核的形成速率和晶核径向增长的速率之间比值不断变化造成的。SnO2晶核的尺寸随也随两者速率比值而改变。温度升高,晶界迁移速度加快,晶粒的径向生长加快,晶体的粒径就越大。

4 结语

采用溶胶-凝胶法、并以机械分散法(球磨)防止团聚现象发生,容易得到20-100nm的SnO2纳米颗粒。煅烧温度对的SnO2纳米颗粒的粒径是影响是,随着煅烧温度由600、700和800℃升至900℃,SnO2粒子的粒径会增大,在600℃、700℃时,有利于得到分散度较好的SnO2颗粒。

[参考文献]

[1] K.Andrei Y.-X.Zhang,G.S. Cheng,et al.J.AdvMater.,2003,15,997-1000.

[2] H.-M.Yang,C.-F.,et al.J.Micro-&Mesoporous; Mater.,2007,102,204-211.

[3] Y.-L,Wang,X.-C.Jiang,Y.-N. Xia.J.Am.Chem.Soc.2003,125,16176-16177.

[4] A.M.B.VanMol,Y.Chae,A.H. McDaniel,et.al.J.Thin Solid Films,2006, 502,72-78.

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

[作者简介]

廖照江,性别:男,学历:博士研究生,职称:讲师,研究方向:纳米材料的合成及性能研究