一种纳米棒状硫化镉的溶剂热法合成与表征

Hajar Masoomi, 张发荫，徐洪耀

（东华大学 材料科学与工程学院，纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620）

一种纳米棒状硫化镉的溶剂热法合成与表征

Hajar Masoomi, 张发荫，徐洪耀

（东华大学 材料科学与工程学院，纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620）

采用溶剂热法合成了硫化镉纳米棒，其产物结构与性能经XRD, FE-SEM，UV 分析表征，同时探讨了反应机理。结果表明硫和溶剂在硫化镉纳米棒生成过程中有重要的作用。在紫外可见吸收光谱中，纳米结构的硫化镉纳米棒与块状硫化镉相比发生了29 nm的蓝移。

硫化镉；溶剂热；纳米棒

一维的纳米结构材料在科学与工程领域受到人们逐渐的重视，纳米结构由于尺寸效应和比表面积大的特点，表现出了与块状材料不同的性质。硫化镉是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，其禁带宽度为2.4 eV[1]，具有独特的光学和电学性能，因此广泛应用于太阳能电池[2], 发光二极管[3]等领域。

硫化镉纳米材料可通过不同的物理或者化学方法合成，例如电沉积[4]、溶剂热[5]、水热法[6]、化学气相沉积法[7]。溶剂热法是一种有效简便的合成方法，可以通过改变不同的温度，溶剂，表面活性剂来控制产物的形貌与尺寸[8]。与其它的基于溶液的合成方法相比，通过溶剂热法能够合成高结晶度的均一纳米结构[9,10]。

在制备硫化镉纳米棒时，通过使用不同硫的前驱体，例如硫脲，氨基硫脲，Na2S，Na2S2O3等，然而，制备的硫化镉纳米棒长径比小，可能由于溶液中硫离子浓度高，导致成核的速率较快。为了提高硫化镉纳米棒的长径比，王庆庆课题组通过使用硫粉合成硫化镉纳米线[8]。本文通过使用氯化镉和硫粉，三乙胺为溶剂，合成了结构均一的硫化镉纳米棒。

1 实验部分

1.1 试剂

所用试剂均为分析纯或化学纯，使用前按标准方法提纯。

1.2 仪器

Hitachi-S-4800型的场发射扫描电子显微镜（HITACHI公司）。Rigaku D-max-2500型的衍射仪（CuKa入射光，λ=0.154 nm）。Lambda 35 （Perkin Elmer Precisely）型紫外可见光谱仪。

1.3 合成

1.2 mmol CdCl2和6 mmol的硫粉分别溶于20 mL 的三乙胺，在磁力搅拌下将前者溶液缓慢加入后者溶液中。10 min 后，混合溶液加入到60 mL 的聚四氟乙烯反应釜中。在密封条件下200 ℃反应12 h。反应结束后，冷却至室温。反应产物使用无水乙醇和去离子水洗涤数次来除去杂质，最后产物在烘箱中60 ℃干燥6 h。

2 结果与讨论

2.1 结构与形貌

图1给出了CdS纳米棒的XRD谱图，由图可以看出，尖锐的衍射峰显示了产物具有较好的结晶且没有副产物生物。硫化镉（100）晶面的衍射峰相对于其它晶面衍射峰比较尖锐，说明CdS纳米棒沿着C轴择优取向。（101）（100）（002）晶面的存在表明生成的硫化镉纳米棒是六边形结构。

图2是硫化镉纳米棒在不同倍数下的场发射扫描电子显微镜。图2清楚了显示了大量的均一的纳米棒生成，生成的硫化镉纳米棒长度和直径大约分别2 μm和65 nm。

2.2 光学性能

图3给出了硫化镉纳米棒在室温下的紫外可见光谱。结果显示硫化镉纳米棒的吸收峰在 486 nm,与块状的硫化镉相比（λ=515 nm）[11]发生了29 nm的蓝移，这可能是由于量子效应引起。甚至，纳米棒的尺寸均一性引起吸收光谱的边缘尖锐化。

图1 CdS纳米棒的XRD图谱Fig.1 The XRD spectra of CdS nanorod

图2 CdS纳米棒在不同倍率的场发射扫描电镜Fig.2 The FE-SEM of CdS nanorod at different ratio

图3 CdS纳米棒的紫外可见吸收光谱Fig.3 The UV-vis spectra of CdS nanorod

2.3 生长机理

在溶剂热反应中，三乙胺作为配位剂，调控Cd2+的浓度，同时对S2-的生成有重要的作用，这些对均一硫化镉纳米颗粒的生长有重要的意义[12]。从结果也可以看出，三乙胺溶剂有利于硫化镉纳米棒沿着C轴择优取向生长。首先，Cd2+与三乙胺配位形成[Cd(en)2]2+二齿配体, 同时硫粉经三乙胺还原后成S2-，二齿配体与S2-反应生成CdS晶核。S2-的生成速率在硫化镉纳米棒的生长过程中起了重要的作用，当使用硫粉作为硫源，S2-的生成速率较低，因此，由于晶体的非平衡生长，形成了沿着 C轴取向的CdS均匀纳米棒。

3 结 论

本文通过溶剂热法成功合成了均一的CdS纳米棒，同时利用硫粉为硫源获得了较高长径比的六边形纳米棒。在紫外光谱中，由于尺寸效应，纳米结构的CdS吸收与块状的相比发生了29 nm的蓝移。

［1］Xu GY, Wang H, Cheng CW. Synthesis of single crystalline CdS nanowires with polyethylene glycol 400 as inducing template[J]. Trans. Nonferrous Met. SOC. China. ,2006 , 16 : 105-109.

［2］Singh RS, Rangari VK, Sanagapalli S, Jayaraman V, Mahendra S, Singh VP. Nano- structured CdTe, CdS and TiO2for thin film solar cell applications[J]. Sol Energy Mater Sol Cells 2004 , 82 : 315–330.

［3］Yao WT, Yu SH, Liu SJ. Architectural control syntheses of CdS and CdSe nanoflowers, branched nanowires, and nanotrees via a solvothermal approach in a mixed solution and their photocatalytic property[J]. J Phys Chem B 2006 ,110 : 11704–117010.

［4］Ghenescu M, Ion L, Enculescu I, et al. Electrical properties of electrodeposited CdS nanowires[J]. Phys E. ,2008 , 40 : 2485–2488.

［5］F, Li G, Zhang Z. Synthesis of high quality CdS nanorods by solvothermal process and their photoluminescence[J]. J Nanopart Res. ,2005 , 7 : 685–689.

［6］Zhang H, Yang D, Ma X. Some critical factors in the synthesis of CdS nanorods by hydrothermal process[J]. Mater Lett. ,2005 , 59 : 3037–3041.

［7］XP, Yuan AH, Wang F. Fabrication of well-aligned CdS nanotubes by CVD-template method[J]. Solid State Commun. ,2005 , 133 : 19–22.

［8］Qingqing W, Gang X, Gaorong H. Solvothermal synthesis and characterization of uniform CdS nanowires in high yield[J]. J Solid State Chem. 2005 , 178 : 2680–2685.

［9］Li Y, Huang F, Zhang Q, Gu Z. Solvothermal synthesis of nanocrystalline cadmium sulfide[J]. J Mater Sci. ,2000 , 35 : 5933–5937.

［10］P. Dalvand , M.R. Mohammadi, D.J. Fray. One-dimensional cadmium sulfide (CdS) nanostructures by the solvothermal process: Controlling crystal structure and morphology aided by different solvents[J]. Materials Letters. 2011 , 65 : 1291–1294.

［11］Yao J, Zhao G, Wang D. Solvothermal synthesis and characterization of CdS nanowires/PVA composite films[J]. Mater Lett ,2005 , 59 : 3652–3655.

［12］Zou GF, Li H, Zhang YG. Solvothermal/hydrothermal route to semiconductor nanowires[J]. Nanotechnology, 2006, 17: S313– S320.

Solvothermal Synthesis and Characterization of Nanorod-like CdS

HAJAR Masoomi, ZHANG Fa-yin, XV Hong-yao
（State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymeric Materials, College of Material Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China）

CdS nanorods were prepared by the solvothermal route. The products were characterized by X-ray powder diffraction (XRD), field emission electron microscope (FE-SEM) and ultraviolet–visible (UV–vis) absorption. The growth mechanism of the CdS nanorods was discussed. The results indicate that, the sulfur source and the solvent play significant roles in the formation of uniform nanorods. In the UV-vis, the absorption peak has a 29 nm blue shift compared with bulk CdS.

CdS; Solvothermal method; Nanorod

TQ 132.4+4

A

1671-0460（2015）08-1819-02

2015-03-12

Hajar Masoomi（1984-），女，伊朗人，硕士，主要研究硫化镉。E-mail：masoomi1381@Yahoo.com。

徐洪耀（1964-），男，教授。E-mail：hongyaoxu@dhu.edu.cn。