高频等离子体法制备纳米氧化锡

高跃生，王　翔

(贵州正业工程技术投资有限公司，贵州　贵阳　550005)



高频等离子体法制备纳米氧化锡

高跃生，王翔

(贵州正业工程技术投资有限公司，贵州贵阳550005)

采用高频等离子体为热源，以普通微米级氧化锡粉体为原料制备了高纯氧化锡纳米粉末。用X射线衍射仪、透射电镜(TEM)和X射线小角散射法(SAXS)对高纯氧化锡纳米粉结构、形貌、粒度及其分布进行了表征；用BET吸附法测定其比表面积。结果表明：该氧化锡晶型为正方晶系，中位粒径为16.7 nm，结果与SAXS和TEM测试结果吻合，制备的纳米SnO2粒径细、粒径分布窄、结晶度完整。并探讨了此方法的实验机理。

高频等离子体法；氧化锡；气相冷凝；纳米粉体

二氧化锡是重要的半导体材料，被广泛应用于有机物的催化氧化、电极触点、电池以及光学技术中[1-3]。当前，氧化锡作为一种气敏材料的应用研究较为深入，尤其是针对H2(氢气)，C2H5OH(酒精)，CO(一氧化碳)等易燃性气体的探测灵敏度较高。它的作用机理是表面吸附型，粉体尺寸越小，比表面积越大，气敏元件灵敏度便越高。因此，近些年来探索各种制备方法以获得粒径小，比表面积大的纳米SnO2粒子已成为该领域的研究重点。

根据国内外相关文献报道，纳米级氧化锡的制备方法主要有：水热法、化学共沉淀法、喷雾燃烧法、微波水解法、Sol-Gel法等[4-20]，均成功制备实验室规模纳米级氧化锡，各种方法各有优劣，如：喷雾燃烧法易于投入工业生产，相应设备成熟，但制备的纳米氧化锡粒子粒径分布范围广且该法设备投入大，化学共沉淀法生产的纳米SnO2在使用过程中不易分散，粒子易团聚，且制备过程中使用的其他试剂给最终的纳米氧化锡产品纯度带来了影响，增加了粒子的水洗环节。本文采用高频等离子体法来研制纳米氧化锡，用等离子体法制备纳米粉末有许多用其他方法所不具备的优点：高频等离子体放电室中心温度一般可达7000～10000℃，高频感应等离子体的原理是LC振荡，只有线圈，不使用电极，故不会由于电极损耗带来产品污染，有利于制备高纯度的粉体；反应物在高温区停留时间较长，使气相反应很充分。与液相法相比，通常气相法制备的粉体产品具有表面活性高、结晶组织好、无三废污染等特点。

1　实　验

1.1实验装置

本实验装置采用功率为100 kW的高频等离子体发生器，高频等离子体炬主要由三部分组成：高频电源、放电室、等离子体工作气供给系统；粉料通过载气输送入等离子体放电室和反应器，气化后经冷凝系统骤冷后收集成品。

1.2结构表征及性能测试

样品的XRD测试采用日本理学DMAX2000 X射线衍射仪进行，工作电压40 kV，工作电流100 mA，扫描速度0.02 °/s；X 射线小角散射(SAXS)粒径分布使用Philips X’Pert MPD Pro 高分辨衍射仪进行测试，测试参数：工作电压40 KV，工作电流40 mA；TEM测试是在H-700型透射电子显微镜上完成；样品的比表面积是在ST-A08比表面积测试仪上完成。

1.3原料与制备

实验采用的原料购自云南锡业99.85%品级的普通微米级氧化锡。普通微米级氧化锡在放电室内被迅速加热，并在反应器内经过较长时间的停留充分气化，粉料通过载气输送入等离子体放电室和反应器，气化后经冷凝系统骤冷后收集重新沉积、收集即得。

2　结果与讨论

2.1产品物相分析

图1是微米级SnO2经高频等离子体放电室和反应室高温气化后骤冷收集的产品XRD图。经分析：此法制备的纳米SnO2XRD图谱与标准卡片库对比归属于正方晶系的SnO2(PDF：41-1445，其空间群为P42/mnm(136)，其中a=4.738，b=4.738，c=3.187)。

图1　纳米SnO2粉末的XRD图谱

2.2粒径分析

图2是样品放大9万倍的TEM图。测试结果表明：SnO2样品形貌为球形粒子，氧化锡粒子粒径分布均匀，粒子间随机地聚集在一起，分析指出小颗粒在10 nm左右，大颗粒在30 nm 左右。

图2　纳米SnO2的TEM形貌图

进一步分析样品粒子分布情况，采用SAXS法对样品进行测试。图3为样品粒径统计分布图，X 射线小角散射结果表明：该法所制备的纳米氧化锡中位粒径(D50)为16.7 nm，平均粒径为61.5 nm，粒子粒径主要分布在1～40 nm区域内，该结果和TEM图中的氧化锡粒径基本一致。

图3　SnO2纳米粉体的粒度分布图

2.3比表面积分析

纳米氧化锡的比表面积使用BET氮气吸附法测得，样品的比表面积Sw为63.18 m2/g。根据TEM图，粒子形貌为球形，故可以采用经验公式d=6/(ρSw)去推算粒子粒径，其中，ρ为样品粒子密度(该处取氧化锡密度6.95 g/cm3)，d为所需计算的粒子直径。经计算：纳米氧化锡粒子的平均直径d为14.1 nm，计算结果与X 射线小角散射测得的结果基本吻合。

2.4实验机理的探讨

高频等离子体法制备纳米氧化锡的机理比较简单，利用高频等离子体炬产生的高温，微米级的氧化锡经放电室、反应室停留气化后，采用高速冷空气骤冷，使得粒子来不及长大，从而得到粒径分布窄的纳米级氧化锡产品。等离子体反应器充分考虑了等离子体弧的热流场和气体的速度流场，保证了纳米材料形成过程均匀可控，在高频等离子体法制备纳米材料的过程中，材料的生长习性得到充分展示，能够获得结晶度高、表面结晶完整的纳米金属氧化物材料。

3　结　论

实验以高频等离子体为热源，通过等离子体放电室和反应室高温气化处理，冷凝后成功制备出纳米氧化锡粉末，结果表明：该氧化锡晶型为正方晶系，中位粒径为16.7 nm，平均粒径为61.5 nm，比表面积为63.18 m2/g；制备的纳米SnO2粒径细、粒径分布窄、结晶度完整。并对该法的实验机理做了简单的探讨。

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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

高跃生(1985-)，男，硕士研究生，2010年毕业于四川大学材料科学与工程学院纳米材料与纳米技术专业，助理研究员，主要研究方向等离子体法制备纳米金属氧化物。

TB383

A

1001-9677(2016)06-0080-03