溶劑熱法合成納米材料.docx

溶劑熱法合成納米材料摘要：本文主要探討采用不同反應(yīng)物通過溶劑熱法合成各種納米材料過程中，控制反應(yīng)條件（如反應(yīng)的時間、溫度、反應(yīng)介質(zhì)、PH值等）之后，對納米晶體結(jié)構(gòu)、原子配比、表面形貌、顆粒尺寸、比表面積及光學(xué)性能等的影響，從而得到某些性能更加優(yōu)良，易于人類社會發(fā)展的納米材料。關(guān)鍵詞：溶劑熱法 納米晶體 晶體性能近年來，納米材料在光伏領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注，它們被應(yīng)用太陽能電池、鋰電池以及光催化劑降解有機(jī)污染物等方面。介紹三種納米材料的反應(yīng)條件對晶體的影響。一、CuIn1-xGaxSe2納米材料銅銦鎵硒（簡稱CIGS）是具有四方晶系黃銅礦結(jié)構(gòu)的直接帶隙半導(dǎo)體納米材料，其光吸收系數(shù)高達(dá)105 cm-1，以CIGS為吸收層的薄膜太陽電池憑借效率高、成本低、性能穩(wěn)定和抗輻射能力強(qiáng)等特點，備受親睞。CIGS研究領(lǐng)域一直試圖通過提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和降低成本來提升CIGS薄膜太陽電池的產(chǎn)業(yè)競爭力，非真空涂覆法制備CIGS能滿足這一熱點。傳統(tǒng)溶劑熱法合成合成粉體通常需要在高溫條件下長時間保溫,但低溫時合成的晶體是不純的。莫淑一，龍飛等人以氯化銅、氯化銦、氯化鎵以及硒粉為原料，乙二胺為溶劑，采用微波輔助溶劑熱法合成CIGS納米粉，通過微波對物質(zhì)內(nèi)部加熱而迅速升溫，且物體各部位均勻滲透電磁波產(chǎn)生熱量，改善溶液體系受熱均勻性，減少反應(yīng)時間。他們的實驗結(jié)果揭示了反應(yīng)時間和溫度對于對產(chǎn)物物相以及形貌的影響。如下：1.“微波溶劑熱合成CIGS粉體的最佳合成溫度為230，反應(yīng)時間為2h，在該條件下合成產(chǎn)物為物相純凈的CuIn0.5Ga0.5Se2四元相,產(chǎn)物形貌顆粒狀和片狀組成,顆粒尺寸約為90-100nm,片狀厚度約為90nm。2. 反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對微波溶劑熱合成CIGS粉體物相的影響都起到重要作用,隨反應(yīng)溫度的升高,合成產(chǎn)物的結(jié)晶程度越來越好,反應(yīng)進(jìn)行更快;隨反應(yīng)時間的延長，產(chǎn)物物相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧儍舻腃IGS四元相，并且延長反應(yīng)時間增加產(chǎn)物的結(jié)晶程度?！饼堬w，莫淑一，謝春燕等. 微波溶劑熱法合成Cu（In，Ga）Se2納米粉體J. 復(fù)合材料學(xué)報，2013.12，第30卷.二、CuInS2納米材料CuInS2作為太陽電池的光吸收層引起了科學(xué)家與企業(yè)廣泛關(guān)注，其優(yōu)勢是原材料損耗小，對溫度的變化不敏感、性能穩(wěn)定、吸收系數(shù)高達(dá)105 cm-1，“經(jīng)過理論預(yù)測，CuInS2類太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率在28%-32%，它是最有希望實現(xiàn)工業(yè)化的薄膜型太陽能電池材料。”趙琴，馮清，高延敏. 反應(yīng)介質(zhì)對溶劑熱法合成CuInS2納米晶體的影響J.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2013.02，第35卷（2）.目前存在好多制備CuInS2方法，比如磁控濺射法、真空蒸鍍法、電沉積法、溶劑熱法等。其中溶劑熱法因其工藝簡單，成本低，污染小等優(yōu)勢逐漸成為研究熱點。近年來，大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)以乙二醇作溶劑成功制備了性能較好的CuInS2納米晶體，但晶體團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重。趙琴，馮清等人以CuCl22H2O為銅源，InCl34H2O為銦源、DMF、乙二醇、丙三醇、DMF和乙二醇的等體積混合為溶劑，用溶劑熱法在190下反應(yīng)12h合成CuInS2納米晶體。從實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，不同反應(yīng)介質(zhì)對納米晶體原子配比、晶體物相結(jié)構(gòu)、表面形貌、光吸收性能均有影響，同時PH值對CuInS2納米晶體物相結(jié)構(gòu)和光吸收性能也有影響。1. 不同反應(yīng)溶劑合成的CuInS2納米晶體物相結(jié)構(gòu)不同，有的晶粒細(xì)，純度較高，有的則不然。2. CuInS2納米晶體原子配比，是影響其電學(xué)性質(zhì)的主要因素，CuInS2納米晶體的元素組成偏離化學(xué)計量比時會產(chǎn)生點缺陷，但是CuInS2納米晶體具有本征自摻雜特性，不需要其他元素的摻雜，只需通過調(diào)整元素的組成比就可以獲得不同的導(dǎo)電類型材料。此外，即使組成嚴(yán)重偏離1:1:2，CuInS2納米晶體仍具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，其物理、化學(xué)性質(zhì)不會發(fā)生太大改變。所以反應(yīng)介質(zhì)對CuInS2 納米晶體原子配比沒有影響。3. CuInS2 納米晶體的表面形貌也受反應(yīng)介質(zhì)的影響，不同的溶劑中制備出的晶體團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重程度是不同的。4. 不同反應(yīng)溶劑對合成CuInS2納米晶體光吸收性能有影響，選用DMF、乙二醇、丙三醇、DMF與乙二醇等體積混合作溶劑制備的CuInS2納米晶體在可見光區(qū)均有很好的吸收，部分紫外區(qū)也有光吸收現(xiàn)象，但因雜質(zhì)影響，導(dǎo)致形狀各異。5. PH值越低所制得的納米晶體尺寸越小；隨著反應(yīng)體系PH值的下降，在強(qiáng)酸體系下制備的CuInS2納米晶體逐漸由團(tuán)聚的微球變?yōu)檩^為清晰的納米片組成的微球；不同PH值對合成納米晶體原子配比無影響，原子配比沒有明顯的偏離。6. 在強(qiáng)酸體系中制備的CuInS2納米晶體其禁帶寬度與理論值非常接近。同時也滿足太陽能電池材料的最佳禁帶寬度（1.45eV）。三、LiFePO4納米材料 LiFePO4具有工作電壓穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性好，對環(huán)境友好以及價格低廉等優(yōu)點，是極具發(fā)展前景的鋰離子電池正極材料。LiFePO4材料的納米化可以減弱極化，減小電阻，提高自身的電子電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，提高電池的充放電容量與循環(huán)穩(wěn)定性等，從而可以有效提升其電化學(xué)性能，促進(jìn)正極材料的進(jìn)一步發(fā)展。目前LiFePO4納米材料合成方法主要有高溫固相法、微波合成法、溶膠-凝膠法、共沉淀法和溶劑熱法等，溶劑熱法具有操作簡單，合成溫度較低等優(yōu)點。而且利用該方法合成出的LiFePO4納米材料結(jié)晶良好，無需煅燒即具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，因而引起了更多相關(guān)研究人員的重視。劉洋、周興平以乙二醇為溶劑，氫氧化鋰為鋰源，七水合硫酸亞鐵為鐵源，采用溶劑熱法合成形貌均一，粒徑分布均一的LiFePO4納米材料。（某一組讓加入異種晶）整個實驗證明：1.通過X射線衍射分析，溶劑熱法在180的反應(yīng)溫度下，不經(jīng)過高溫煅燒即可得到晶型完整的LiFePO4；2. 反應(yīng)時間對制得的LiFePO4納米顆粒尺寸的影響：在溶劑熱法合成過程中，隨著反應(yīng)時間的進(jìn)行，產(chǎn)物L(fēng)iFePO4顆粒逐漸長大，而形狀則由不規(guī)則的納米顆粒逐漸生長為規(guī)則的菱形片狀顆粒，且粒徑分布較為均勻。3. 反應(yīng)物摩爾比不同對制得的LiFePO4納米顆粒尺寸的影響：在180溶劑熱反應(yīng)12h的條件下，反應(yīng)物摩爾比選擇2.7：1.0:1.0獲得的納米顆粒形貌和大小分布較為均勻。4. 異種晶Fe3（PO4）2以及加入不同摩爾分?jǐn)?shù)的異種晶的加入，可以加快溶劑熱法合成納米材料的反應(yīng)速率，使產(chǎn)物顆粒粒徑變小。結(jié)束語合成CuIn1-xGaxSe2納米材料所使用的微波溶劑熱法，較傳統(tǒng)溶劑熱方法，大大提高了反應(yīng)速度，縮短了反應(yīng)時間，而且物體各部位均勻滲透電磁波產(chǎn)生熱量，改善溶液體系受熱均勻性。實驗結(jié)果表明于280的反應(yīng)溫度下保溫2h，可以獲得組成接近化學(xué)計量比，結(jié)晶程度好，形貌主要由片狀和圓球狀顆粒組成的Cu（In，Ga）Se2。溶劑DMF、乙二醇、丙三醇、DMF與乙二醇等體積混合均能作為溶劑熱反應(yīng)介質(zhì)在190，12h條件下合成CuInS2納米晶體，但晶體均有團(tuán)聚現(xiàn)象，其中DMF與乙二醇等體積混合作溶劑制備的納米晶體在晶體結(jié)構(gòu)、原子配比、表面形貌、吸光性能等方面相對較佳；強(qiáng)酸體系能改善納米晶體的團(tuán)聚現(xiàn)象，制備出性能穩(wěn)定且呈均勻花狀結(jié)構(gòu)的CuInS2納米晶體，該方法反應(yīng)條件溫和，操作簡便，實驗重復(fù)性好，對改善晶體團(tuán)聚現(xiàn)象和制備形貌可控的花狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)物起到一定的借鑒作用。用溶劑熱法合成的LiFePO4納米材料形貌均一，粒徑分布較為均勻。嘗試?yán)锰砑赢惙N晶，在其他反應(yīng)條件相同的條件下，減小了所合成LiFePO4納米材料的尺寸?？傊绊懠{米材料性能的因素有很多，需要我們在以后的研究中繼續(xù)探索發(fā)現(xiàn)，控制好它們，獲得性能優(yōu)良的材料。參考文獻(xiàn)1龍飛，莫淑一，謝春燕等. 微波溶劑熱法合成Cu（In，Ga）Se2納米粉體J. 復(fù)合材料學(xué)報，2013.12，第30卷.2趙琴，馮清，高延敏. 反應(yīng)介質(zhì)對溶劑熱法合成CuInS2納米晶體的影響J.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2013.02，第35卷（2）.3劉洋，周興平. 溶劑熱法合成LiFePO4納米及其尺寸控制J.東華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013.12，第39卷（6）.4杜記民，王志勇，陳惠娟等. 溶劑熱法合成納米TiO2的結(jié)構(gòu)及光催化性能J.河北師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014.11，第38卷（6）.5陳哲，陳峰，譚乃迪. 簡單的