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SnO2是一种重要的宽禁带、高激子束缚能、高载流子浓度的n型半导体材料。具有热稳定性及化学稳定性好、活性高、比表面积大、可见光透过率高等优点,被广泛应用在气敏传感器、催化剂、电极材料、发光二极管和太阳能电池等领域。SnO2纳米粉体的纯度、粒径及粒度分布等微观特性对其应用性能有很大的影响,因此采用合适的制备方法及工艺参数有效控制所合成SnO2纳米粉体的微观特性具有十分重要的意义。
本文以SnCl4·5H2O为源物质,氨水为沉淀剂,采用化学沉淀过程制备前驱体,间歇水热晶化和连续水热晶化两种晶化方法实现前驱体的晶相转变,并采用焙烧晶化制备的产品与水热晶化的产品对比。采用XRD、EDS、TEM和SAED等方法表征了产品的成分、结构、粒径和形貌等性能,样品的禁带宽度采用UV-Vis表征。考察前驱体制备及晶化过程中各种工艺参数对SnO2纳米粉体的微观特性影响规律。并通过亚甲基蓝(MB)降解实验评估三种晶化方法制备的SnO2纳米粉体的光催化性能。具体研究内容及结论如下:
(1)当水解温度为35℃,反应终点pH值为2,氨水浓度为8.83%(V氨水∶VH2O=1∶2),SnCl4浓度为0.05mol/L时制备得到的前驱体在水热温度160℃和水热时间12h的水热条件下制备的SnO2纳米粉体的粒径最小;改变前驱体工艺参数制备的SnO2纳米粉体的禁带宽度与粒径尺寸成反比,即粒径越小,禁带宽度越大。
(2)相同工艺条件下制备得到的前驱体分别采用焙烧晶化、间歇水热晶化和连续水热晶化实现由非晶态Sn(OH)4到晶体SnO2的转化。XRD、SAED和EDS分析结果表明,三种晶化方法制备得到的产品均为高纯度的四方晶系金红石结构的SnO2纳米粉体。
XRD、TEM和UV-Vis表征采用相同的晶化方法实现前驱体的非晶态到晶态的相变制备得到的产品。研究结果表明:提高晶化温度或晶化时间,制备的SnO2纳米粉体的粒径尺寸增大,禁带宽度减小;采用连续水热晶化法时,提高反应压力有利于大粒径的SnO2纳米粉体的制备;前驱体经水热晶化制备的SnO2纳米粉体均具有明显的量子尺寸效应;焙烧晶化制备得到的SnO2纳米粉体的粒子尺寸至少小于6nm时,才能出现明显的量子尺寸效应。
(3)亚甲基蓝降解实验表明,水热晶化制备得到的SnO2纳米粉体的光催化活性高于焙烧晶化得到的粉体的催化活性;低温连续水热晶化制备的SnO2纳米粉体光催化活性高于高温所得粉体。
(4)本文采用自制的连续水热晶化工艺流程,实现了晶化过程的连续化,同时制备得到了性能较优的纳米SnO2粉体。