一种枝状分级结构二氧化锡的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于湿敏器件材料的枝状结构二氧化锡的制备方法，属于先进纳米功能材料制备工艺及应用技术领域。其特征在于，以四氯化锡(五水合物)作为反应原料，尿素作为碱源，以聚乙二醇6000为表面活性剂，去离子水作为分散剂，经过水热反应得到具有枝状结构氧化锡纳米材料。基于叉指电极的枝状结构SnO

【技术实现步骤摘要】
一种枝状分级结构二氧化锡的制备方法
本专利技术涉及一种用于湿敏器件材料的枝状结构二氧化锡的制备方法，属于先进纳米功能材料制备工艺及应用

技术介绍
二氧化锡(SnO2)是一种新型的宽禁带n型半导体材料，其禁带宽度为3.6eV,具有原料丰富，成本低廉，对环境友好无污染等优点。由于分级结构氧化锡特殊的小尺寸效应和表面效应，使其在传感器、量子尺寸半导体、光催化、太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。分级结构是由低维结构单元(如颗粒状、棒状、花状、球状、管状、阵列状等)组装排列构成的一种形貌结构，低维结构单元的组装排列可以为晶格融合或化学键作用，也可以是分子间作用力、静电或磁场相互作用进行有序排列。分级结构特征决定了它具有高孔隙率、高比表面积、较好的表面吸附、较好的表面活性，与相应的反应媒介(气体、光、染料等)具有更大的接触面积，使其在化学传感器和光催化等方面有着优异的潜在应用。分级结构SnO2作为一种新型功能材料被广泛应用于各个领域中，同时分级结构SnO2的特殊结构是显著影响微纳米材料性能和应用的一个关键因素，因此吸引了国内外研究者的广泛关注，对分级结构SnO2材料的制备以及相关性能的研究成为热点。分级结构SnO2功能材料的形貌和结构是影响其气体敏感性能的重要因素，越来越多的研究工作者致力于控制合成具有特殊形貌的分级结构SnO2来提高材料本身的敏感性能。近年来，已经有许多种合成方法来制备分级结构SnO2，但是许多制备工艺依然存在着缺陷和不足之处。目前制备分级结构氧化锡的方法主要可以分为固相法、液相法、气相法等，比较常用的方法有水热法、溶胶-凝胶法、微乳液法、化学沉淀法、超临界流体干燥法以及微波法等等。目前关于分级结构二氧化锡制备方法的专利很多，但现有方法依然存在着工艺复杂，能源消耗高，成本高，制备方法不环保等问题。如，中国专利CN104891557A公开了一种空心结构二氧化锡纳米花的制备方法，该法以四氯化锡为锡源，氧化锌为辅助材料，反应得到的实心结构锡酸锌纳米花，进一步高温退火，再加入硝酸中静置得到空心结构纳米花，该方法成本较高，能耗高，且过程中用到硝酸存在安全隐患。中国专利CN105152202A公开了一种锑掺杂花球状二氧化锡的合成方法，以氯化亚锡为锡源，三氯化锑掺杂，氢氧化钠为沉淀剂，十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂，经过水热反应16-24小时，得出产物60℃干燥24小时，再经过500℃高温热处理3小时得到目的产物，该合成方法制备周期较长，且过程繁琐，需要高温煅烧，能耗相对较高。本项目通过一种简单的水热法合成了具有枝状分级结构的SnO2，将五水合四氯化锡作为锡源，尿素作为沉淀剂，聚乙二醇6000作为表面活性剂，同时控制一定的反应物浓度、反应时间以及反应温度等工艺参数，在一定范围内控制合成分级结构氧化锡的形貌和尺寸。本方法的优点在于成本低，合成工艺简单，过程中没有使用有机溶剂或者强酸等，工艺环保安全，而且该方法制备出的枝状二氧化锡结构特殊，分散性好，尺寸均一，优异的敏感性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，克服现有技术所存在的缺点，提出一种合成工艺简单，成本廉价、环保安全、尺寸可控、应用范围广泛的枝状结构SnO2的制备方法，消除传统制备方法的高能耗、低产率、形貌单一等缺点。该合成方法具有生产成本低、对环境无污染、产率高、能够工业化生产等优点，所制备出的枝状结构SnO2形貌特殊，尺寸均匀，具有良好的敏感性能，可用于制作湿敏传感元件，可以有效提高对湿度的响应。本专利技术制备出的枝状结构SnO2的湿敏性能是通过交流阻抗测试得出。实现本专利技术目的的技术方案：一种用于湿敏器件材料的枝状结构SnO2的制备方法，其特征在于，以四氯化锡(五水合物)作为反应原料，尿素作为碱源，以聚乙二醇6000为表面活性剂，去离子水作为分散剂，经过水热反应得到具有枝状结构氧化锡纳米材料，而现有技术中，大部分是采用氯化亚锡(SnCl2·2H2O)和氢氧化钠为原料，缺点如下：第一，因为氯化亚锡在水中的溶解度小，且转化成Sn(OH)2需要足够大的pH值；第二，为使Sn(OH)2转变成Sn(OH)4，所以通常采用NaOH为碱源来控制溶液的pH值；第三，使Sn(OH)4充分分解为SnO2，需要足够长的时间和足够高的温度来进行水热反应。本专利技术选用的反应原料为SnCl4·5H2O，在水中的溶解度大，无需加入强碱来提高pH值，并且直接生成Sn(OH)4。本专利技术中，SnO2枝状结构的形成机理如下所述，SnCl4·5H2O，PEG6000和尿素起到关键作用。首先，在溶液中，SnCl4·5H2O通过水解释放出Sn4+，尿素作为弱碱溶解于去离子水中可以提供OH-，与Sn4+离子反应，产生Sn(OH)4，水热条件下Sn(OH)4分解为SnO2。在PEG6000辅助条件下，促进微纳粒子组装和枝状SnO2结构的形成。经测试，基于叉指电极的枝状结构氧化锡敏感元件对湿度具有优异的湿敏响应。本专利技术所采用的方法涉及到许多因素，如反应温度、反应时间等。具体的合成步骤如下：1.枝状SnO2分级结构材料的制备(1)称取尿素和聚乙二醇6000，溶解于去离子水中，水浴中搅拌形成均匀溶液。(2)称取五水合四氯化锡(SnCl4·5H2O)，溶解到均匀溶液中得到混合溶液。(3)将混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬不锈钢水热釜中，密封。(4)将水热釜放入烘箱，进行水热反应，反应结束后，自然冷却到室温，所得白色产物经分离、洗涤、干燥后得到枝状SnO2分级结构材料。所述混合溶液中尿素的浓度为0.1-0.4mol/L；SnCl4·5H2O的浓度为0.02-0.06mol/L。所述聚乙二醇6000的加入量为1g。所述水浴温度为40℃。所述水热反应温度为140℃～200℃，反应时间为6-12小时。所述分离指用离心机分离，洗涤指用乙醇和去离子水洗涤，干燥温度为80℃。2.湿敏元件的制作以及湿敏性能测试(1)称取枝状SnO2分级结构材料粉体与去离子水混合，SnO2粉体和去离子水的质量比为3:1，在研钵中充分湿磨，直至形成粘稠的浆料。(2)用丝网印刷将配置好的浆料均匀涂覆在叉指电极上，厚度以刚刚盖上金电极为宜，然后将电极片放置在60℃下干燥至恒重。(3)400℃-500℃下烧结使其稳固，即可制得氧化锡湿敏元件。(4)采用两电极法，用电化学恒电位仪进行不同湿度下的阻抗测试，频率范围为0.01-100kHz。用盐的饱和溶液控制湿度(25℃)，MgCl2、K2CO3、NaBr、NaCl、KCl饱和溶液与H2O对应的湿度分别为33％、43％、59％、75％、85％、98％。附图说明图1是本专利技术所制得的枝状结构SnO2的XRD图谱，图中1的特征峰和SnO2粉体衍射图的特征峰相符合，说明该制备方法可以获得稳定的SnO2结构；图2是本专利技术所制得的枝状结构SnO2的低倍SEM图，从图中可以看出该法制备出的SnO2呈现枝状结构，形貌特殊；图3是本专利技术所制得的枝状结构SnO2的高倍SEM图，从图中可以看出枝的末端的尺寸为3微米；图4是本专利技术所制得的枝状结构SnO2在不同的相对湿度条件下的交流阻抗图，从图中可以看出，该法制备出的枝状结构SnO2对湿度具有较高的灵敏响应。图5是图4中小图的放大示意图。具体实施方下面结合附图和实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种枝状分级结构二氧化锡的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)称取尿素和聚乙二醇6000，溶解于去离子水中，水浴中搅拌形成均匀溶液；(2)称取五水合四氯化锡(SnCl

【技术特征摘要】
1.一种枝状分级结构二氧化锡的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)称取尿素和聚乙二醇6000，溶解于去离子水中，水浴中搅拌形成均匀溶液；(2)称取五水合四氯化锡(SnCl4·5H2O)，溶解到均匀溶液中得到混合溶液；(3)将混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬不锈钢水热釜中，密封；(4)将水热釜放入烘箱，进行水热反应，反应结束后，自然冷却到室温，所得白色产物经分离、洗涤、干燥后得到枝状分级结构SnO2。2.如权利要求1所述的一种枝状分级结构二氧化锡的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中尿素的浓度为0.1-0.4mol/L；SnCl4·5H2O的浓度为0.02-0.06mol/L。3.如权利要求1所述的一种枝状分级结构二氧化锡的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇6000的加入量为1g。4.如权利要求1所述的一种枝状分级结构二...

【专利技术属性】
技术研发人员：王茂华，曲潇，陈勇，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32