二氧化錫納米結(jié)構(gòu)的合成、表征與性能研究.pdf

1、納米半導(dǎo)體材料以其新異的光學(xué)特性、電學(xué)特性、光電轉(zhuǎn)換特性、光催化性能等引起了廣泛的研究興趣。合理設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的合成，從材料的尺寸、形貌、維度、組成、晶體結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行調(diào)控，研究納米結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，是納米科技發(fā)展的重要組成部分，對實(shí)現(xiàn)按照人們的意愿設(shè)計(jì)合成功能材料具有重要的意義。本論文以SnO2為研究對象，采用多種化學(xué)方法，以簡單的無機(jī)鹽為前驅(qū)體，在液相反應(yīng)體系中通過引入聚合物做輔助劑、在SnO2晶體中摻雜Zn、改變?nèi)軇┙M成以及以天然棉

2、花做模板等方法，得到了一些新的形貌和納米結(jié)構(gòu)，通過X射線衍射(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、透射電鏡(TEM)及高分辨透射電鏡(HRTEM)、紅外光譜(FT-IR)、拉曼光譜、紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)、光致發(fā)光光譜(PL)、X射線光電子能譜(XPS)等手段對產(chǎn)物進(jìn)行了表征，討論了納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，并對其性能進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下：
　　 ⑴分別以聚丙烯酸(PAA)、聚乙二醇(PEG 200)、聚乙烯醇(P

3、VA 1799)三種聚合物為輔助劑，制備了幾種不同的SnO2納米結(jié)構(gòu)：首先，在溶液中利用聚丙烯酸(PAA)的輔助作用，通過溶劑熱過程得到了平均長度為1.0μm、底部直徑為100-500nm的金紅石型SnO2納米錐形結(jié)構(gòu)以及由納米錐自組裝成的空心球結(jié)構(gòu)，考察了溶液堿性、溶劑組成、聚合物的加入量等參數(shù)對形貌的影響，晶體的生長經(jīng)歷了PAA輔助下納米顆粒的定向聚集過程，通過取向附生機(jī)制，得到了單晶納米錐結(jié)構(gòu)，由于納米錐的頂部尺寸小以及其粗糙的凹

4、凸不平的表面，使其更進(jìn)一步組裝成空心球結(jié)構(gòu)。納米錐的拉曼光譜結(jié)果顯示，出現(xiàn)了由納米材料微結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的新的振動(dòng)吸收；其次，采用高溫加熱的方法，以聚合物聚乙二醇(PEG 200)為溶劑和表面修飾劑，得到了長徑比大、結(jié)晶較好的單晶SnO2納米棒，并且發(fā)現(xiàn)，晶體的生長方向?yàn)檩^少報(bào)道的[1 2]方向。反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、溶液的堿度、反應(yīng)物濃度等生長參數(shù)對產(chǎn)物的尺寸有較大的影響，納米棒的形成機(jī)制為取向附生機(jī)制，其熒光光譜顯示了較強(qiáng)的激子發(fā)光、缺陷能

5、級發(fā)光；另外，以聚乙烯醇(PVA 1799)為基質(zhì)，通過加熱回流及氧化過程，首先得到了SnO2納米顆粒分散其中的復(fù)合物，高溫培燒除去聚合物后，得到了由納米顆粒組成的空心球結(jié)構(gòu)等納米結(jié)構(gòu)。
　　 ⑵通過在SnO2晶體中摻雜Zn，有效的控制了晶體的形貌和尺寸。在乙醇-水溶液中，引入少量無機(jī)金屬離子Zn2+作摻雜，采用溶劑熱法，得到了具有枝狀結(jié)構(gòu)的Zn摻雜的、具有金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2納米棒團(tuán)簇，而且隨著產(chǎn)物中Zn含量的增加，納米棒的直

6、徑減小，長度增加?？疾炝巳軇┙M成、溶液的堿度、摩爾比[Zn2+]/[Sn4+]、聚合物的引入等對產(chǎn)物形貌和晶相的影響。詳細(xì)考察了晶體生長過程中的晶相轉(zhuǎn)變和形貌的形成過程，提出了可能的晶體生長機(jī)理。產(chǎn)物的拉曼光譜顯示，除了傳統(tǒng)的SnO2晶體的振動(dòng)峰以及由SnO2納米結(jié)構(gòu)所引起的振動(dòng)峰，另外還出現(xiàn)了純的SnO2晶體沒有出現(xiàn)的新振動(dòng)峰。研究了該產(chǎn)物對乙醇、丙酮和苯蒸汽的氣體敏感性。
　　 ⑶研究了在兩種或多種溶劑混合組成的均相體系中進(jìn)

7、行溶劑熱過程時(shí)，SnO2晶體的可控生長：首先，以乙二胺和蒸餾水為混合溶劑，通過調(diào)節(jié)其體積比、溶液的堿度和反應(yīng)溫度等，制備了多種不同形貌、尺寸以及聚集狀態(tài)的SnO2納米顆粒、納米棒、微米棒等結(jié)構(gòu)，比如像花一樣聚集的納米棒團(tuán)簇、納米棒組成的弧形或環(huán)狀結(jié)構(gòu)、小尺寸的納米棒及納米顆粒、鉛筆形狀的微米級SnO2棒等。所得到的納米棒生長方向?yàn)閇1 2]，納米棒中存在有高濃度的氧空位和明顯的位錯(cuò)缺陷，討論了納米棒及其多級結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。并對不同比例的

8、溶劑組成時(shí)所得到的不同尺寸和形貌的產(chǎn)物進(jìn)行了光學(xué)性能測試和分析，其FT-IR、UV-Vis以及PL均出現(xiàn)了強(qiáng)度或位移的變化；在以上結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多種溶劑組成，如乙二胺:乙醇:蒸餾水(1:1:1)、二乙烯三胺:蒸餾水(1:1)等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和比較，通過調(diào)節(jié)溶劑的組成可進(jìn)一步調(diào)控納米SnO2晶體的形貌和尺寸，溶劑固有的性質(zhì)以及溶劑分子所含有的功能基團(tuán)在晶體生長過程中起了關(guān)鍵作用。
　　 ⑷以天然棉纖維為模板，通過化學(xué)方法，得到了