溶剂热法制备锑和锑化锌纳米材料及其物性研究

发布时间：2020-04-07 13:36

【摘要】：锑化物纳米材料因其独特的物理、化学性质引起研究者普遍关注,被广泛应用于多种领域,如红外探测器、热电材料、锂离子电池等。目前制备方法效率低下且成本较高,在高性能锑化物的生产中并不适用。溶剂热反应能够通过高压反应釜构建出良好的高压高温的环境,利用这种方式进行制备,能够防止出现团聚现象,制造出纯度较高、分散均匀的纳米材料。本次论文选择使用溶剂热法来实现锑单质以及锑化锌等纳米材料的有效合成,提出了在同还原剂下一元锑化物至二元锑化物制备的有效策略。在实验过程中对制备工艺进行改进,对其物性展开研究,为锑化物纳米材料的制备提供了有益的理论和实践指导。具体研究内容如下:1.Sb纳米管的可控生长及生长机理研究。使用溶剂热法,通过控制温度、时间等反应因素,直接制备了锑纳米颗粒、纳米片、纳米管等低维纳米结构的纳米材料。在合成中,反应温度是调节锑单质形貌的重要因素,而反应时间的调节起到的效果与改变反应温度的作用类似。实验结果表明,在140℃至160℃温度范围内,所得锑单质的形貌主要为20-30nm尺寸的纳米颗粒;在160℃至180℃温度范围内,形貌主要为纳米片结构;而在约180℃至200℃温度范围内,形貌主要为50nm的直径和约350nm的长度的锑纳米管。其中,XRD测试表明产物为具有较高结晶质量的菱方相,TEM及SEAD表明其为多晶结构,生长方向为(102),EDX和XPS表明产物主要为Sb单质构成,具有较高的纯度。通过对其形成机理分析,表明产物的结构变化主要受温度影响下卷曲所致。2.ZnSb纳米材料的形貌可控生长及生长机理研究。在以上基础之上,使用乙二胺为溶液,一步合成了结晶度较高的六方相ZnSb纳米材料。成功合成棒状,以及花状的ZnSb低维纳米结构。实验结果表明,ZnSb纳米颗粒在140℃的低温下即可合成。在160℃至180℃的温度区间内,通过EDS和XRD测试表明,产物的纯度、结晶性较高,其形貌为纳米棒结构。SEM中观察到纳米棒的直径约为180nm,长度1.4μm,XPS表明产物为Zn和Sb构成。在对ZnSb纳米棒生长的进一步研究中,通过改变溶液中乙二胺与水的混合比例来调控ZnSb纳米材料的形貌和结构,随着混合比例从0.5:1上升至1:1,结晶性升高,进一步生长为纳米花瓣结构,而较高的乙二胺浓度会抑制晶体生长以及破坏结构。通过对ZnSb的形成机制进行分析分析,表明其结构变化为乙二胺分子的模板机制所致。通过将ZnSb纳米棒作为锂离子电池阳极测试其电化学性能,表现出较高的比容量和循环稳定性。200次循环后该纳米棒的可逆储锂容量达到478.5mAh g~(-1),证明具有良好的导电性能。
【图文】：

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图 1.1 V 族 Sb 晶体结构示意图米材料的结构与基本性质 60 年代，就开始对 ZnSb 材料进行研究，因其突出的热究比较集中。ZnSb 是一种金属合金型半导体纳米材料，始研究这种材料的晶体结构[20]，属于斜方晶系结构、Pbc胞参数为 a=6.202 、b=7.742 、c=8.100 ，且具有褶皱的型材料结构最为稳定结构的 ZnSb，其结构可看作是变形导关系中，原子在 Zn2Sb2的平面菱形环中组合在一起。如键被分为三类：键 i-vi 是用于建立四面体的共价键；键 ix1-6用于连接 Zn2Sb2环的二聚体。Sb-Zn-Sb 的键角为 1角度，因此，ZnSb 在一定程度上满足四面体规则。ZnSb体中的 sp3杂化轨道所致，其通常代表半导体键[21]，因此体[22.23]。同类型材料的 Zn4Sb3也是另一种锑化锌较为稳定稳定的结

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39 个 Zn2+提供这些电子以达到价平衡。Zn 只有 36 个可能的位置，少有 3 个间隙 Zn 原子用于价平衡。此外，在电化学领域中，锑基合高的比容量、在合适的工作电压区间内具备较好的循环稳定性，，他与合金型材料类似，即通过合金中的锑/锌与锂进行可逆反应生成锂，并具备较好的电化学性能。如 2013 年，Xu 等人采用化学气相沉晶结构的 Zn4Sb3纳米线、纳米管和纳米棒结构，所得到的 Zn4Sb3纳维电输运性质，同时具备良好的阳极储锂性能和循环稳定性。其中具备较高的 1160 mAh g 1初始放电容量，在 100 次循环中，纳米管为 450 mAh g 1，与第 10 个循环相比，容量保持率接近 100%。因米材料在未来的实际能源领域中具备较高的研究价值。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】