纳米氧化锡和氧化铟粉体液相法制备研究

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纳米氧化锡和氧化铟作为重要的宽禁带N型氧化物半导体,具有热导系数大、热稳定性好、活性高、可见光透过率高等优点,被广泛应用在光电材料领域。其中,作为平板显示用ITO靶材的原料粉体,氧化锡和氧化铟的粉体特性对靶材性能好坏的影响至关重要。采用合适的制备方法及工艺参数有效调控粉体的晶型、粒径粒形以及结晶性,获得性能优异的氧化锡及氧化铟单体粉是ITO靶材制备的关键基础。本文分别以高纯金属锡(4N)和高纯金属铟(4N)为原料,采用硝酸氧化-水热法和酸溶-氨水沉淀法,制备氧化锡和氧化铟粉体,通过XRD、SEM、TEM、TG-DSC、BET等检测手段对中间产物和最终粉体的物相结构、表面形貌、热学特征以及物理特性进行表征,系统地研究制备过程中工艺参数对粉体特性的影响,并分析粉体的形成过程,为更好的制备晶型单一、粒径粒形可控、结晶性高的粉体提供理论指导。主要研究内容和结论如下:(1)硝酸氧化-水热法制备氧化锡粉体时,探究水热过程中工艺参数:pH值、水热温度和水热时间对水热产物微观特性的影响,并分析氧化锡的形成过程。结果表明:pH值、水热温度和水热时间主要影响水热产物氧化锡的粒径、结晶性以及分散性,对晶型没有影响。综合考虑产物粒径粒形以及结晶性,在pH值为5,水热温度180℃,水热时间6 h工艺条件下,可制备出颗粒尺寸3.5~6.0 nm,比表面积高达179.34 m2/g的高活性近球形纳米粉体。(2)进一步提高氧化锡的结晶性,对水热得到的纳米氧化锡进行煅烧处理,探究煅烧温度和煅烧时间对氧化锡微观特性的影响。结果表明:煅烧温度对产物结晶性以及粒径大小影响较大;煅烧时间主要影响产物形貌。在煅烧温度550℃,煅烧时间1.5 h的煅烧工艺下,可制备出颗粒尺寸15~20 nm,比表面积27.73 m2/g的高活性近球形纳米粉体。(3)酸溶-氨水沉淀法制备氧化铟纳米粉体时,探究沉淀过程中酸根离子种类、沉淀反应温度以及陈化时间对前驱体微观特性的影响,并分析前驱体粉体的形成过程。结果表明:相较于HNO3/HCl体系,HNO3/H2SO4体系室温沉淀后得到的前驱体球磨之后形貌更趋近于球形,颗粒尺寸在15~40 nm左右,结晶性更高,750℃煅烧3 h后可得到20~70 nm的近球形纳米氧化铟粉体;当沉淀反应温度由室温提高至55℃后,氢氧化铟前驱体的结晶性提高,形貌也转变为细小的氢氧化铟纳米颗粒自组装成的三维花状团簇结构;陈化时间从3 h延长至24h,前驱体氢氧化铟的颗粒长大,形貌趋于稳定,三维花状团簇结构逐渐规则,结晶性提高。(4)前驱体氢氧化铟经高温煅烧转化为立方相氧化铟。主要研究了煅烧工艺对In2O3粉体微观特性的影响,结果表明:煅烧工艺主要影响的是氧化铟的粒径粒形以及结晶性,对晶型没有影响,均为立方晶型氧化铟。在750℃煅烧3 h后可得到高结晶性、高活性、一次粒径纳米级的三维花状团簇氧化铟粉体;煅烧温度提高至1150℃,颗粒二次长大明显,生长成0.8~1.5μm的近球状颗粒。
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