CN101439855B - 一种纳米SnO2-MWCNTs的微波水热合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米材料领域，涉及一种微波水热合成SnO2-MWCNTs复合粉体的方法，用于生产气敏元件的材料。其制备工艺流程为：以SnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液，NaCl和MWCNTs为反应物，使用微波水热法合成SnO2-MWCNTs复合粉体，SnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液浓度为0.005-0.05mol/L，相对于100mlSnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液NaCl的加入量为0.1169-1.1688g，MWCNTs的加入量为5-20mg，反应温度为110-180℃，保温时间为30-300min。本发明采用微波水热法合成纳米SnO2-MWCNTs复合材料，合成温度低，时间短，纳米SnO2在MWCNTs中均匀分布，且具有较高的比表面积，尺寸均一为200nm左右，将有利于提高材料的气敏性能。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料领域，涉及一种纳米SnO2-MWCNTs的微波水热合成方法，用于制备具有高敏感度的气敏元件。
背景技术
SnO2是一种宽带隙半导体，禁带宽度为3.6eV，是目前最常用的气敏材料。以氧化物为基体材料，掺入适当的催化剂或添加剂，还可以制得对酒精、氢气、硫化氢、一氧化碳和甲烷等气体具有选择性敏感作用的氧化物气敏元件。二氧化锡的化学稳定性好，耐腐性较强，吸脱时间较短，适用于微量和低浓度气体的检测。近年来制备纳米级的二氧化锡是研究的热点问题，通过研究发现尺寸均一、单分散的纳米粉体具有较高的比表面积和较大的活性，有利于气体的大量吸附，响应和恢复时间会减短，从而将会提高气敏元件的敏感度。2000年Collins等报道碳纳米管的气敏性能(Science，287(2000)1801-1804)，碳纳米管由于其较大的比表面积对气体具有很强的吸附作用，当其吸附气体时会使其导电性发生改变，因此碳纳米管有望在气敏传感器方向得到应用。研究发现单根碳纳米管对二氧化氮和氨气都具有敏感性能。将碳纳米管组装成电容式传感器，检测出了其对二氧化碳具有敏感性。在n型硅基底上溅射钯作为催化剂后用微波等离子体增强的CVD法生长碳纳米管，而后在碳纳米管上溅射一层金属钯，将其作为传感器电极实现了对氢气的检测。将碳纳米管自组装到铂电极上并将其作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂丝作为对电极，实现了对一氧化碳浓度的检测。另外，通过在三氧化二铝基底上溅射叉指金电极，在电极之间涂布微量碳纳米管气敏膜，实现了碳纳米管对甲苯的检测。
因此在SnO2-MWCNTs复合材料中，碳纳米管在不减弱二氧化锡本身对气体敏性能的基础上，还能有效的控制二氧化锡的尺寸和形貌，从而有望成为性能优异的气敏材料。以SnCl4·5H2O为锡源，使用水热法合成SnO2-MWCNTs复合材料产率较低且反应时间较长，在反应过程中需加入表面活性剂以达到二氧化锡在碳纳米管中的均匀分布和尺寸控制。因此目前寻求设备简单、成本低、产率高、二氧化锡在复合材料中的尺寸、形貌和结构可控仍是研究的热点问题。
微波水热法是将微波场与传统的水热法相结合，同时体现水热法本身的优势和微波独特的加热特性，具有反应速度快、反应效率高、制备产品纯度高和形态均一等优点，已受到广泛应用。
微波水热的特点：
(1)微波加热速率快，反应条件温和，避免了材料合成过程中晶粒的异常长大，能在短时间，低温下合成纯度高，粒度细，分布均匀的材料；
(2)微波能可直接穿透一定深度的样品，在不同深度同时加热，不需传热过程，这种体加热作用使加热快速，均匀；
(3)通过调节微波的输出功率，可使样品的加热情况立即无惰性地改变，便于进行自动控制和连续操作；
(4)微波加热的热惯性小，因此关闭电源后，试样即可在实现快速降温；热能利用率高(60％～90％)，可大大节约能量。
发明内容：
本发明目的是利用微波水热法加热均匀且速度较快的优点，合成出在MWCNTs中SnO2分散均匀且尺寸均一的纳米SnO2-MWCNTs复合粉体。
一种微波水热合成SnO2-MWCNTs复合粉体的方法，其特征是以SnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液，NaCl和MWCNTs为反应物，采用微波水热法合成纳米SnO2-MWCNTs复合粉体，SnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液浓度为0.005-0.05mol/L，其中SnCl4·5H2O∶NaOH(摩尔比)＝1∶8-12；相对于100mlSnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液NaCl的加入量为0.1169-1.1688g，MWCNTs的加入量为5-20mg，反应温度为110-180℃，保温时间为30-300min。试验结果表明，产物中SnO2在碳纳米管中分散均匀且形状规则，为200nm左右，结晶性完好。
本发明以SnCl4·5H2O为锡源，使用微波水热法合成SnO2-MWCNTs复合粉体的方法合成温度低且方法简单。复合粉体中二氧化锡的比表面积较大，尺寸均一，在碳纳米管中均匀分布，将有利于提高其气敏性能。
附图说明：
图1为MWCNTs加入量为10mg的产物的XRD图
图2为MWCNTs加入量为5mg的产物的FE-SEM图
图3为MWCNTs加入量为10mg的产物的FE-SEM图
图4为MWCNTs加入量为20mg的产物的FE-SEM图
具体实施方式：
(见表1)
表一
工艺流程如下：
1.配置浓度为0.01mol/L的SnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液，其中SnCl4·5H2O∶NaOH(摩尔比)＝1∶10；
2.称取0.2338g NaCl加入到100ml SnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液中，使用磁力搅拌仪搅拌20min后使其完全溶解并配成均匀透明的溶液；
3.称取100mg MWCNTs加入到上述溶液中，使用超声分散1h，得到反应溶液；
4.将反应溶液转移至聚四氟乙烯水热釜中，保持50％的填充度，将水热釜放入到微波炉中后密封，控制反应温度110-180℃，保温30-300min；
5.反应完全结束后，待聚四氟乙烯水热釜自然冷却至室温，将所得的沉淀用去离子水和无水乙醇各洗涤三次，置于微波炉中干燥得到灰白色产物为纳米SnO2-MWCNTs复合粉体。
具体试验结果：
使用微波水热法可成功制备出纳米SnO2-MWCNTs复合粉体。从XRD图的标注中可以清晰的看到此试验条件下合成的复合粉体，所有的衍射峰均与金红石型SnO2及MWCNTs相吻合，从标注中可以看出复合产物中SnO2纯度和晶化程度都极高。利用微波水热法合成纳米SnO2-MWCNTs复合粉体，合成方法简单，微波水热法不仅节约能源而且得到的复合粉体中SnO2的分散均匀、尺寸均一且比表面积较大，是合成纳米SnO2-MWCNTs复合粉体的一个新途径。
Claims (1)
1.一种微波水热合成SnO2-MWCNTs复合粉体的方法，其特征是以SnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液，NaCl和MWCNTs为反应物，采用微波水热法合成纳米SnO2-MWCNTs复合粉体，SnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液浓度为0.01mol/L，其中SnCl4·5H2O与NaOH的摩尔比＝1∶8-12；相对于100ml SnCl4·5H2O和NaOH的混合水溶液NaCl的加入量为0.1169-1.1688g，MWCNTs的加入量为10mg，反应温度为160℃，保温时间为100min；试验结果表明，产物中SnO2的粒径分布为190-210nm，在碳纳米管中分散均匀且形状规则，结晶性完好。
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