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2016-醋酸盐共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡_ATO_粉体_赵晓伟

2016年9月 化 学 研 究621第27卷第5期 CHEMICAL RESEARCH http://hxya.cbpt.cnki.net醋酸盐共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡(ATO)粉体赵晓伟1,2,杨万婷1,陈振奇1,张经纬1!,张纪伟1,郭建辉1,张治军1*(1.河南大学纳米杂化材料应用技术国家地方联合工程中心,河南开封475004;2.河南大学河南省工业冷却水循环利用工程技术研究中心,化学化工学院,河南开封475004)摘 要:在较低的温度下将锡粉和三氧化二锑溶于冰醋酸并通过共沉淀,成功制备了锑掺杂二氧化锡(ATO)纳米粉体.采用XRD、SEM、TEM、N2等温吸/脱附及粉末电阻率测试仪等对其结构、形貎和导电性进行表征,并研究了锑掺杂浓度对ATO导电性能的影响.结果表明:随着锑掺杂量的增加,ATO粉体电阻率有一最低值,即在锑掺杂浓度为8%时,ATO粉体电阻率可达0.4Ω·cm;ATO粉体的一次粒径约为5nm,其比表面高达85.9m2/g.关键词:锑掺杂氧化锡(ATO);醋酸;透明导电材料中图分类号:O611.62文献标志码:A文章编号:1008-1011(2016)05-0621-05Preparing antimony-doped tin dioxide(ATO)powder byacetate co-precipitation methodZHAO Xiaowei 1,2,YANG Wanting1,CHEN Zhenqi 1,ZHANG Jingwei 1*,ZHANG Jiwei 1,GUO Jianhui 1,ZHANG Zhijun1*(1.National &Local Joint Engineering Research Center for Applied Technology of Hybrid Nanomaterials,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China;2.Henan Engineering Research Center of Industrial Circulating WaterTreatment,College of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University,Kaifeng475004,Henan,China)Abstract:Antimony-doped tin oxide(ATO)nano-particles powder was fabricated successfullyby dissolving tin powder and antimony oxide into glacial acetic acid at lower temperature andco-precipitating process subsequently.The structure,morphology and electric conductivitycharacterizations were carried out through XRD,SEM,TEM,N2adsorption/desorption iso-therm and powder resistivity test instrument,respectively.The effect of antimony doping con-centration on ATO electric conductivity was researched.The result showed powder resistivityof as-prepared ATO could reach 0.4Ω·cm at antimony-doped concentration of 8%.The pri-mary particle size of ATO powder is about 5nm,which has a specific surface area as high as85.9m2/g.Keywords:antimony-doped tin oxide(ATO);acetic acid;transparent conductive material收稿日期:2015-10-08.基金项目:国家自然科学基金(20971037),河南省高校科技创新团队资助项目(16IRTSTHN015).作者简介:赵晓伟(1976-),男,讲师,研究方向为纳米复合材料.!通讯联系人:E-mail:jwzhang@henu.edu.cn;zhangzhi-jun@henu.edu.cn. 二氧化锡是宽带隙(Eg=3.6eV)的n型半导体[1],经Sb掺杂后,形成锑掺杂二氧化锡(antimo-ny-doped tin dioxide,简称ATO),具有高的透明导电性.ATO在透明隔热、抗静电、光电显示器件、透明电极、太阳能电池、液晶显示、催化等领域日益受到科学工作者的广泛关注[2].目前,ATO粉体的制备大多采用氯化(亚)锡或其水合物与三氯化锑为原料,由于氯离子具有较强的亲核性和吸附性[3],需要大量的水反复多次洗涤或渗析,且在后期呈凝胶状,洗涤过程十分缓慢[4].另一方面残留的氯离子需要更高的煅烧温度,必然导致颗粒间更为严重的团聚[5],且氯离子对金属具有较强的腐蚀性[3],在后续的处理过程中,对设备提出了更高的要求.这些不利因素将大大增加ATO622 化 学 研 究2016年的生产成本和降低ATO的品质.为了从根本上解决纳米ATO制备过程中,氯离子和钠离子存在造成的难以洗涤[4]、对设备腐蚀[3]、产品易于团聚[5]和导电率下降[6]等不利影响,张建荣[7]、JEON[8]和YU[9]等采用了无氯的原料来制备,降低了ATO粉体的团聚,导电性有所提高.反应体系中柠檬酸的引入,一方面起到络合剂的作用,促进金属锡的溶解,另一方面可以吸附在ATO表面,防止团聚,在燃烧法制备过程中,还起到燃烧剂的作用[7].醋酸为弱酸,溶解金属过程较为缓慢,用其作为金属锡的溶解介质的报道很少.如DONALDSON等发现在N2保护下,90g锡溶解在冰醋酸中制备醋酸亚锡,需要回流(冰醋酸沸点为:140℃[10])80~90h才能完全溶解[11],或在100~200℃下反应得到醋酸锡[11],但醋酸亚锡在400℃以下热解制备SnO2,分解不完全,且易产生杂相,如SnO,Sn2O3等[10].目前,尚未有更低溶解温度的报道,更没有直接用醋酸作溶剂来制备ATO的报道.KNEZEVIC等[12]发现用金属锡粉代替锡粒,氧化步骤的温度可降低至100~120℃.在实验过程中,本课题组发现某类物质不仅能够加快金属锡在冰醋酸中的溶解,而且可以降低溶解温度,该类物质可以做为溶解促进剂加速锡在冰醋酸中的溶解.本文作者拟以无氯的单质锡粉和氧化锑为锡锑源,在溶解促进剂的作用下,二者可快速溶于醋酸中形成醋酸锡和醋酸锑,用氨水共沉淀后制备纳米ATO粉体,并研究其溶解的反应机理以及不同掺杂量对所制ATO粉体导电性的影响.1 实验部分1.1 实验试剂及仪器锡粉(99.5%,200目,国药集团化学试剂有限公司);三氧化二锑、正丁醇(分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司);冰醋酸(分析纯,天津市富宇精细化工有限公司);氨水(分析纯,洛阳昊华化学试剂有限公司);市售双氧水(30%,洛阳昊华化学试剂有限公司);溶解促进剂(河南大学纳米材料工程研究中心).FZ-2010粉末电阻率测试仪(上海益羽仪器仪表有限公司);DX-2500型XRD(丹东方圆仪器有限公司).1.2 醋酸法ATO粉体的制备称取适量的溶解促进剂加入到250mL的三口烧瓶中,加入125mL冰醋酸,开启机械搅拌.待其完全溶解后,加入5g锡粉和计量的Sb2O3,在60℃下搅拌反应约2h,待固体全部转化为黑色时,将10mL双氧水(30%)与5mL水的混合物滴加入反应瓶中,黑色固体可快速溶解,得到淡黄色透明溶液.在快速搅拌下将上述溶液返滴入计量的氨水中共沉淀完全,陈化过夜.随后,用水反复洗涤、抽滤至滤液电导率低于500μS·cm-1,得到黄色凝胶状固体,于80℃下烘干.经研磨筛分或用正丁醇共沸蒸干后,在600℃下煅烧2h,得蓝色固体.改变Sb2O3的用量,可得到掺杂量不同的ATO粉体.1.3 导电性能测试电阻率测试:称取0.7g不同锑含量的ATO粉末放入压片模具(直径D=(6.0±0.3)mm)中,加压至8MPa,用粉末电阻率测试仪在线测定粉体的电阻值,读取压饼高度(H),电阻率(ρ)由下式求得:电阻率ρ=R·SH=πD2·R4 H其中,ρ为体积电阻率:Ω·cm;R为电阻值:Ω;D为导电粉末样品池的直径,cm;H为导电粉末样品柱的高度:cm.2 结果与讨论2.1 合成机理实验发现,锡与冰醋酸直接反应非常缓慢,且释放出氢气,溶解促进剂的存在则可加快锡在冰醋酸中的溶解,而氧化锑易溶解于冰醋酸中.当锡粉和氧化锑共存时,锡粉并非直接溶解于醋酸,而是首先转化为黑色絮状物,且无气体放出.待锡粉全部转化为黑色絮状物时,加入双氧水,可快速溶解.为了确认黑色物质的成分,将反应过程中产生的黑色絮状物从反应体系中分离出来,进行XRD分析,结果如图1.图1 黑色絮状物的XRD图Fig.1 XRD patterns of the black floccule第5期赵晓伟等:醋酸盐共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡(ATO)粉体623 由图1可知,黑色絮状物为两相体系,分别是新生成的锡锑合金(卡片号:PDF#33-0118)和少量未完全反应的金属锡(卡片号:PDF#04-0673).结合实验现象与中间产物,推断其反应过程和机理如下.在无氧化锑存在时,Sn与HAc和H2O2反应生成醋酸锡和水.而在锡和氧化锑同时存在时,氧化锑与醋酸快速反应生成醋酸锑,其后,锑被金属性更强的锡置换出来,并与锡形成黑色的锡锑合金.当加入双氧水时,锡锑合金和未反应的锡一起溶解,并同时将低价金属离子氧化为高价态.据此计算,理论上5g锡制备ATO恰好需要加入10mL的双氧水(30%),才能完成溶解,这与实验相符合.若过氧化氢低于该用量,则不能完全溶解.2.2 不同的锑掺杂量对ATO结构的影响不同掺杂量ATO前驱体干凝胶和经600℃退火处理的样品进行了XRD表征,结果如图2.图2 不同掺杂量ATO前驱体(a)和600℃退火产物(b)的XRD图Fig.2 XRD patterns of ATO precursor(a)and anneled product at 600℃with different antimony-doped content 如图2(a)所示,不论掺杂含量高低,ATO前驱体在干燥过程中,均已部分转化为金红石相SnO2(PDF#41-1445)结构,且没有发现其他杂质相.与文献报道的由醋酸亚锡在400℃以下受热分解制备SnO2的方法相比[10],具有更大的优势.从峰强和峰的宽化现象上看,前驱体干凝胶的结晶并不完善.由图2(b)可知:前驱体干凝胶经600℃退火处理后,峰强明显增强,而峰的宽化减小,说明其晶粒长大,结晶更为完善.不同掺杂量ATO的(110)晶面峰参数列于表1,其中晶粒尺寸按Scherrer公式计算.由表1中数据可以清楚地看到(110)晶面峰各参数的变化情况.明显地,随着锑掺杂量的提高,峰强减弱,半高宽相应地增大,而晶粒尺寸随着锑掺杂量的增加而减小.这是由于锑的掺杂使SnO2结晶产生了更多的晶格缺陷[13],或在退火处理时,锑在SnO2表面偏析更多[14],二者均不利于SnO2晶粒的生长,限制了晶粒的进一步长大.表1 不同锑掺杂量ATO的(110)晶面峰参数Table 1 Parameter of crystal plane(110)peak for ATO with different antimony-doped contentSb/Sn/%0 2 4 6 8 10 晶粒大小/nm 8.7 7.6 6.8 5.9 5.7 5.3半高宽/(°)0.92 1.05 1.18 1.35 1.41 1.51强度579 490 435 378 346 2622.3 ATO粉体的形貌表征共沸脱水干燥是制备纳米粉体材料常用的方法,将ATO前驱体湿凝胶用正丁醇进行共沸脱水干燥(共沸点:92.4℃),并经600℃退火处理后,进行了SEM和HRTEM形貎表征,结果如图3.624 化 学 研 究2016年图3 ATO粉体的SEM(a,b)和HRTEM照片(c)和选区衍射花样图(d)Fig.3 FE-SEM images(a and b),HRTEM image(c)and SAED pattern(d)of ATO powder 从图3(a,b)的FE-SEM可以看出:ATO粉体颗粒尺寸在1μm左右,且较为均一.从图3(c)高分辨电镜照片中ATO的结晶条纹可以看出,ATO结晶比较完善,其晶区尺寸较小,为5nm左右,这可能与共沸有关.在共沸时,正丁醇的-OH取代HOH,并在ATO颗粒表面形成包覆层,阻止了晶粒的进一步长大.衍射图上可以看出,衍射条纹从内到外,依次对应ATO的(110)、(101)、(200)、(211)和(301)晶面,说明ATO为多晶结构,与XRD的结果相一致.2.4 不同的锑掺杂量对ATO导电性的影响ATO粉体的特性是透明导电性,随后测定了不同掺杂量ATO粉体的电阻率,如图4.未掺杂SnO2的电阻率超出了仪器的测量范围,其电阻率大于106Ω·cm.由图4可知:随着锑掺杂量的增加,电阻率明显降低.这是因为锑的掺杂为SnO2晶格提供了更多的载流子,随着锑掺杂量的增加,载流子增多,导电性大大增加,当掺杂量达到8%时,电阻率达到0.4Ω·cm.掺杂量增至10%,电阻率反而增大至0.89Ω·cm.这与大多文献报道相一致,即随着掺杂量的增加,电阻率先降低后增大.一般认为Sb3+的半径(0.076nm)比Sn4+的半径(0.069nm)大,而Sb5+的半径(0.060nm)则较小,掺杂伴随着强烈的氧化倾向,在Sb含量较低时,Sb以Sb5+的形式掺杂,提供自由电子作为载流子,是n型半导体,随着掺杂量的增大,载流子的浓度增大,电阻率随之降低;当掺杂量进一步增大时,Sb3+/Sb5+的比例上升,产生偿消作用,电阻率随之升高.该法制备的ATO粉体电阻率较文献报的低,其原因可能是无氯原料的使用有效避免了氯离子的干扰,另一方面可能是H2O2的加入,使更多的Sb3+被氧化为Sb5+,从而提高其导电性.图4 不同掺杂量ATO粉体的电阻率Fig.4 Resistivity of ATO powder with differentantimony-doped tin dioxide content2.5 ATO粉体的比表面积比表面积是粉体纳米材料的重要参数,通过N2等温吸附-解吸的方法测定了ATO粉体的比表面积.N2等温吸附-解吸曲线如图5.由ATO粉体的N2等温吸附-解吸曲线,按照BET公式计算出ATO粉体的比表面积为85.9m2/g.纳米ATO粉体大的比表面积可能与醋酸在第5期赵晓伟等:醋酸盐共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡(ATO)粉体625 ATO前驱体表面的吸附导致颗粒的团聚程度大大降低有关.图5 ATO粉体的N2等温吸附-解吸曲线Fig.5 N2adsorption/desorption isotherm curvesof ATO powder3 结论通过无氯的工艺路线成功制备了纳米ATO粉体.所制备的纳米ATO粉体具有较小的晶粒尺寸(约5.0nm)、较大的比表面积(85.9m2/g)和较低的电阻率值(0.4Ω·cm).参考文献:[1]CHEN Z,PAN 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