硫化镉纳米材料应用及其固相合成方法研究

王路瑶

摘要 硫化镉是硫属半导体化合物中的一种直接带隙的光电半导体材料，因其较宽的禁带范围以及特殊的结构等特性，使得其在光学、电学、磁学、催化等方面有着广泛的应用，并占据非常重要的地位。本文重点研究硫化镉纳米材料应用及其固相合成方法。

关键词 硫化镉；固相合成；纳米材料

中图分类号 TQ13 文献标识码 A 文章编号 2095—6363（2016）12—0014—02

纳米材料有介电效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸效应等多种特质，那么，将硫化镉纳米化则可以赋予这种材料不同的性质。纳米CdS在传感器、红外窗口材料、太阳能电池、发光二极管等领域有很大的发展应用前景，另外，它具有的二阶非线性光学特性，现今的通信体系和发射和储备光信号的中心问题就是这一光学特性现象，因此人们高度重视硫化镉纳米材料的制备与合成。目前，CdS纳米的制备大体上可分为固相合成法、液相合成法、气相合成法3种，而气相合成法条件要求较高，用此法合成纳米CdS并不常见，固相与液相合成则较为普遍，且分属于这2类的方法也较多。

1硫化镉纳米材料的应用现状

纳米硫化镉有很多特性，且有非常特别的光电性质，它在诸多领域都有很好的应用，如物理、材料、化学等学科。目前，它在太阳能转化、传感器、金属测定、生物检测等方面的应用较为常见，并且其二阶非线性光学特性已被发现，同时也越来越得到人们的重视。多晶薄膜太阳能电池的转化效率高、原理简单，适合广泛应用，敖建平等在醋酸镉体系中沉积硫化镉半导体薄膜，用六方晶与立方晶混合的硫化镉作为CIGS太阳能电池的缓冲层，有很高的电池的光电转化效率。CdS纳米材料的比表面、活性较高，使得其在可以应用到传感器方面。夏青等经过合成得到了具备特殊核桃状形貌的纳米小球，增加了粒子的比表面积，非常有利于构造硫化镉基因型传感器，且其灵敏度高，稳定性好。纳米硫化镉材料易于吸收可见光，而且效果好，并能利用可见光，为光催化创造了良好的条件，因此又有在降解污染物方面得到了重视。功能性硫化镉纳米粒子的发射光谱效果好，不但窄而且对称性好；荧光量子的产出量较高；斯托克斯位移大；稳定性好，适合做荧光探针的原材料，也许会很大程度上提高分析灵敏度和选择性。硫化镉量子点在金属离子、核酸等检测方面都有应用。另外，新的研究对非线性光学极为重视，有人合成了含硫化镉的的非线性复合光学产品，发现其非线性光学特质在一般温度下的稳定性非常好，因而，在通讯和开关的光学技术方面以及提高成像效果、信息处理上的应用都成为可能。

但是，有研究发现纳米状态的cd²⁺对细胞具有毒性，因此对于毒性机制的研究则有待加强，前人已有相关研究，但并未完全解决这一问题。张静姝等对硫化镉纳米材料在大鼠肺脏、肝脏、肾脏、睾丸中cd²⁺蓄积情况进行分析，发现在肝脏中有蓄积并推测纳米硫化镉材料对肝脏可能产生毒性，后又进一步研究，发现纳米硫化镉对人体胚肝细胞（L-02）具有损伤作用。

综上所述，纳米硫化镉材料的应用具有非常可观的价值，虽然也有些问题存在，但不能否定其巨大的应用价值，因此，对纳米镉材料需进一步深入，为各个领域提供有力的支持。

2固相合成纳米硫化镉

2.1机械粉碎法

机械粉碎法顾名思义就是通过机械的方式将固体物质进行粉碎细化，对于硫化镉纳米材料，用此法得到的纳米颗粒其粒子直径很难达到低于10hm的要求，同时很难把握粒子状态，且粉碎过程当中会有杂质混入的可能，将其应用到生产中则难以满足相应要求。

2.2固相反应法

固相化学反应法较之其他方法具有诸多优点：工艺简洁、容易控制反应条件、不需要溶剂、颗粒均匀、具有较好稳定性且产率高。基于以上特点，对此方法的研究较为普遍，同时目前多为室温固相合成法及低温合成法的研究。该法是将硫化物、镉盐直接研磨并相混，在物理作用下形成化学效应合成纳米粒子的方法。

我国早期用固相法和成的纳米硫化镉颗粒较大，杨瑞林等以氢氧化镉和臭碱为原料，甲苯为分散剂，在室温下研磨、清洗、制干后得到粒径为60hm上下的硫化镉粉状材料。随着研究的不断深入，近些年的研究也取得了良好的成效。唐文华等以TAA与CdCl₂，为质料，用低温固相反应法获得了纳米硫化镉的结构为立方晶体，颗粒直径约为15nm～25nm，同时与室温固相法和均匀沉淀法进行了比较，其产物的粒径分布比室温固相法均匀，而形貌尺寸明显大于均匀沉淀法。娄向东等将氯化镉和臭碱等比例混合于玛瑙研钵中，研磨后，获得糊状体，干燥后得粉末样品，将其分别在400℃和600℃下烧结，再对获得的粉状物质进行表征，所得XRD图谱无杂质峰，与标准样品保持一致，且衍射峰是非常尖锐的，说明硫化镉在此温度能达到很好的结晶效果，并都呈六方形晶体状；TEM结果发现，粒径随烧结温度的变化而变化。曹沽明等用微波辅助常温固相反应与表面活性剂共同使用的方式合成硫化镉纳米粒子，选用聚乙二醇400為表面活性剂，将产物分成3份各自加入PTFE容器中，选择不同的微波加热时间长度，经XRD、TEM、SEM表征，得到延长微波加热时间对纳米粒子的晶型转变，对粒径的影响不大的结果。刘劲松尝试用有机低温熔盐法合成硫化镉纳米材料，以尿素氯化胆碱有机熔盐法140℃反应温度下合成了纯净的六方CdS纳米材料，其直径在5nm左右，但粒子较为团聚，但方法简单实用，表明了低温熔盐有望用于实际生产中。

固相反应合成是一种不可取代的方法，它不易产生聚团现象并具有以上诸多优点，因此，对固相合成法合成纳米CdS更加深入的研究并应用具有重要意义。endprint