2016-醋酸盐共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡_ATO_粉体_赵晓伟
锑掺杂氧化锡ATO纳米导电粉体的研制

【 摘 要 】通过设 备和工 艺的改进 ,寻求成本低 、产率 高、比表 面积 大的工业化锑掺 杂氧化锡 A O纳米导电粉体制备方 法。 T
即在络合 能力强的复合有机 酸溶液 中加入纯度 9 . %以上高纯锡 和 高纯锑化合物 ,再 滴加硝 酸和氨 水,进行凝胶 化反应和聚合 99
2 2 工艺 流 程 .
王扭馥篷蓝 盒成班
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射及红外吸收 等功能,广泛应用于建筑用低辐射 率玻璃、计 算机房 ,雷达 的屏蔽保护区 ,防 电磁干扰 的透 明窗、红外吸
收 隔 热 材 料 等 领 域 中 。甚 至 在 电子 传 输 、化 学 稳 定 性 和 高 温
稳定性 ,性价 比方面还要优于 IO T 。广泛应用 于抗 静 电导 电 材料 ,市场前 景广 阔。因此 ,进行本项 目是十 分必要的。
o c pou —o ani a d ol f om nd rg c ci s uti wi a puri y f 9. on th t o 9 9% hi h pu t ti a gh uri y nti ony om un . a g ri y n nd hi —p t a m c po ds nd
总第 1 4卷 1 6期 5 21 0 2年 8月
大 众 科 技
P puar in e& T c n lg o l e c Sc e h oo y
Vo . 4 N0. L1 8
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2 2 01
锑 掺 杂氧 化 锡 A O纳 米 导 电粉 体 的研 制 T
何焕全 陈进 中 伍祥武
纳米锑掺杂二氧化锡(ATO)水凝胶的水热法制备以及ATO导电薄膜的透明和隔热性能

纳米锑掺杂二氧化锡(ATO)水凝胶的水热法制备以及ATO导电薄膜的透明和隔热性能张文豪;李彦良;高彦杰;赵晓伟;王维勋;郭炜;郭建辉;张经纬【摘要】A wet gel of antimony-doped tin dioxide(ATO)was prepared by acetate co-precipitation route.The obtained ATO wet gel was adopted as the precursor to afford an ATO hydrogel via hydrother-mal reaction at a certain temperature.The effects of the washing degree of the precursor,the hydrother-mal reaction temperature and pH as well as the calcination temperature on the electric conductivity of the ATO hydrogel were investigated.Furthermore, the ATO hydrogel obtained under acidic condition was made into conductive film, and the transparency and heat-insulating performance of the as-pre-pared ATO conductive film were investigated.It indicates that the washing degree of the precursor has little effect on the electric conductivity of the ATO hydrogel,and the electric conductivity of the ATO hydrogel can be improved with elevating hydrothermal reaction temperature.After being calcined at 600℃,the resultant ATO hydrogel exhibits a resistivit y of 0.8 Ω· cm.Furthermore,the ATO conductive film has a visible light transmittance of as much as85%and an infrared absorbance rate of 53%,show-ing excellent transparency and heat-insulation performance.%以醋酸盐共沉淀法制备了锑掺杂二氧化锡(ATO)湿凝胶;将其作为前驱体,在一定温度下经水热法得到ATO水凝胶.考察了前驱体洗涤程度,水热反应温度、pH以及煅烧温度对ATO水凝胶导电性能的影响.进而将酸性条件下得到的ATO水凝胶制备成导电薄膜,考察了其透明和隔热性能.结果表明:前驱体洗涤程度对ATO水凝胶导电性能的影响不大;随着水热反应温度的升高,水凝胶导电性能改善;当凝胶煅烧温度提高到600℃时,ATO样品的电阻率为0.8 Ω· cm.此外,ATO导电薄膜的可见光透过率达85%,红外光吸光率为53%,显示出优异的透明和隔热性能.【期刊名称】《化学研究》【年(卷),期】2018(029)001【总页数】4页(P22-25)【关键词】锑掺杂二氧化锡;水凝胶;水热法;制备;隔热性能【作者】张文豪;李彦良;高彦杰;赵晓伟;王维勋;郭炜;郭建辉;张经纬【作者单位】河南大学纳米功能材料及其应用河南省协同创新中心,河南开封475004;济源市舜峰纳米科技有限公司,河南济源459000;河南大学纳米功能材料及其应用河南省协同创新中心,河南开封475004;河南大学纳米功能材料及其应用河南省协同创新中心,河南开封475004;重庆文理学院材料与化工学院,重庆永川402160;江苏荣昌新材料科技有限公司,江苏扬中212221;河南大学纳米功能材料及其应用河南省协同创新中心,河南开封475004;河南大学纳米功能材料及其应用河南省协同创新中心,河南开封475004【正文语种】中文【中图分类】O611.62锑掺杂二氧化锡(ATO)具有高的透明导电性,广泛应用于透明隔热材料、防辐射抗静电涂层、显示器电致变色材料等领域,是一种极具发展潜力的新型导电材料[1-2]. 因纳米ATO材料对太阳光谱具有理想的选择性,在可见光区透过率高,对红外光具有较好的屏蔽性能,将制备的ATO水性分散液涂敷在基底上,所制得的隔热涂层具有透光性高,隔热性能好,制备工艺简单,成本低廉等优点,适宜大规模推广应用.目前,工业上ATO纳米材料大多采用含氯的原料(氯化(亚)锡、氯化锑等)制备,但因存在氯离子洗涤困难和残留的氯离子腐蚀设备等问题,降低了ATO的品质[3-5]. 课题组前期采用醋酸盐共沉淀法制备了晶粒尺寸约5.0 nm,其电阻率值约为0.4 Ω·cm的ATO纳米粉体[6],但ATO纳米粉体在实际应用中存在着再分散困难、纳米颗粒易团聚等问题,为其在工业上的应用带来一定的困难. 在前期无氯制备工艺的基础上,以ATO湿凝胶为前驱体,利用水热反应制备ATO水凝胶,直接涂膜制成透明隔热涂层. 对水凝胶的微观结构和薄膜的光学性能进行了表征,着重考察了前驱体洗涤程度、水热反应温度,pH,煅烧温度等对ATO纳米材料导电性能的影响.1 实验部分1.1 实验试剂及仪器锡粉(99.5%,200目,国药集团化学试剂有限公司);三氧化二锑(分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司);冰醋酸(分析纯,天津市富宇精细化工有限公司);氨水(分析纯,洛阳昊华化学试剂有限公司);市售双氧水(30%,洛阳昊华化学试剂有限公司);溶解促进剂(河南大学纳米材料工程研究中心).用X射线衍射仪(D8-ADVANCE, Bruker, Germany)测试材料的晶体结构,用透射电子显微镜(JEM-2010, JEOL Ltd., Japan)观察样品形貌特征,用紫外可见近红外光谱仪 (Perkin-Elmer)测试涂层试样的透光率.1.2 水热法制备ATO水凝胶采用课题组前期制备纳米ATO的方法,利用无氯原料,锡粉和三氧化二锑在醋酸溶液中,氨水共沉淀法制备ATO湿凝胶[6]. 将制得的湿凝胶经过洗涤后加入到反应釜中,使ATO在水中的质量分数为10%,改变不同的水热反应温度160、180、200、240和260 ℃,反应24 h后,得到ATO蓝色水凝胶,分别标记为ATO-160,ATO-180,ATO-200,ATO-240和ATO-260. 为考察前驱体洗涤程度对ATO水凝胶导电性能的影响,用蒸馏水洗至前驱体滤液电导率分别为34、100、200、300、400和500 μS·cm-1条件下,180 ℃水热反应24 h,测试其导电性能. 将ATO-180样品,经蒸馏水洗涤,分别在60、120、300和600 ℃等温度下热处理2 h,得到蓝色固体.此外,制备透明隔热涂层,将醋酸法制备的ATO前驱体,分别用醋酸和氨水调溶液的pH为3.5和9.0,在180 ℃水热反应24 h后,将蓝色水凝胶采用刮涂的方式涂覆在载玻片上,60 ℃烘干,测定其薄膜的透光率.1.3 导电性能测试电阻率测试:称取0.7 g实验制得的ATO粉末放入压片模具(直径D=(6.0±0.3) mm)中,加压至8 MPa,用粉末电阻率测试仪在线测定粉体的电阻值,读取压饼高度(H),电阻率(ρ)由下式求得:电阻率ρ=R·S/H=πD2·R/(4H)(1)其中,ρ为体积电阻率:Ω·cm;R为电阻值:Ω;D为导电粉末样品池的直径:cm;H为导电粉末样品柱的高度:cm.2 结果与讨论2.1 ATO水凝胶的XRD结构表征将不同水热温度下制备的ATO样品经60 ℃干燥后,进行XRD分析,结果如图1所示. 由图1可以看出,不论水热反应温度的高低,ATO湿凝胶水热反应后均转化为结晶性较完整的金红石相SnO2结构(卡片号:PDF #41-1445),且无其他杂质相. 根据Scherrer公式,按ATO的最强峰(110)晶面计算晶粒尺寸,样品ATO-160, ATO-180,ATO-200,ATO-240和ATO-260分别对应的晶粒大小为4.4、4.5、5.4、5.4和5.9 nm. 随着水热反应温度的增高,晶粒尺寸增大,这是由于反应温度升高,SnO2晶粒结晶更加完整.图1 不同水热反应温度条件下制备的ATO样品的XRD图Fig.1 XRD patterns of the ATO prepared by different hydrothermal reaction temperature2.2 ATO水凝胶的TEM形貌表征将制备的ATO-260进行TEM形貌表征,结果如图2所示. 从图2(a,b)可以看出,ATO水凝胶的颗粒尺寸分布均一,无团聚现象,颗粒尺寸约为6 nm左右,从高分辨图中可以看出晶粒结晶比较完整,有清晰的晶格条纹. 插图为水热法制备的公斤级ATO水凝胶.图2 ATO水凝胶的TEM(a)和HRTEM(b)图,(a)中插图为公斤级制备的ATO水凝胶Fig.2 TEM image (a) and HRTEM image (b) of ATO hydrogel2.3 不同处理温度对ATO水凝胶电导率的影响将不同水热反应温度条件下制备的ATO水凝胶,60 ℃干燥后测其电阻率值,如图3a所示. 图3a(a)水热反应温度(b)煅烧热处理温度.图3 不同温度对ATO水凝胶的电阻率Fig.3 Resistivity of ATO hydrogel with the different reaction temperature中可以看出,随着水热反应温度的增加,ATO水凝胶的电阻率值呈逐渐降低的趋势. 样品ATO-160对应的电阻率为1 172.2 Ω·cm,当反应温度提高到200 ℃时,电阻率降为712 Ω·cm,当温度进一步提高到260 ℃时,电阻率降低到180 Ω·cm. 水热反应温度越高,结晶的颗粒尺寸越大,颗粒结晶越完整,对应的ATO粉体的电导性能越好.图3b为样品ATO-180在不同温度下煅烧后的电阻率图. 由图3b中可以看出,随着后续热处理温度的升高,ATO水凝胶的电阻率值迅速降低. 由最初60 ℃烘干对应电阻率为4 100 Ω·cm,降低到300 ℃热处理后的164 Ω·cm,当煅烧温度提高到600 ℃后,电阻率最低,为0.8 Ω·cm. 说明600 ℃温度下煅烧即可得到性能优异的ATO粉体导电材料.2.4 水热反应的pH对ATO水凝胶电导率的影响考察水热反应pH对ATO水凝胶电导率的影响. 分别用醋酸和氨水调节溶液的pH 为4,5,7,9. 在水热反应温度为260 ℃条件下,反应24 h,得到ATO水凝胶.60 ℃烘干后,测材料的电阻率,如图4所示. 由图4中可以看出,随着pH的升高,ATO-260样品的电阻率逐渐增大. 当溶液的pH=4时,ATO的电阻率为176 Ω·cm,当pH增加到9时,电阻率增加到586 Ω·cm. 这可能是由于在碱性条件下,ATO纳米粒子存在胶溶现象,使其电阻率值升高.图4 水热反应的pH对ATO-260电阻率的影响Fig.4 Resistivity of ATO-260 with different reaction pH2.5 前驱体的洗涤程度对ATO水凝胶电阻率的影响将醋酸法制备的ATO湿凝胶,用蒸馏水分别洗至滤液中不同的离子强度,ATO的质量分数为5%,经180 ℃水热反应得到ATO水凝胶. 将水凝胶分别在60 ℃干燥和600 ℃煅烧2 h,研磨后测定其粉体的电阻率,结果如图5所示. 由图5中可以看出,前驱体的洗涤程度对水热法制备的ATO水凝胶的电阻率影响不大,即溶液中电导率小于500 μS/cm时,60 ℃干燥后电阻率约为1 200 Ω·cm,即使溶液洗的很干净,电导率为34 μS/cm时,其电阻率仍为1 150 Ω·cm,说明水热反应时,溶液中电解质的量为500 μS/cm时,即可获得较好的电阻率值. 当煅烧温度升高至600 ℃时,样品的电阻率大大降低,均降至1 Ω·cm左右,ATO材料表现出了优异的导电性能.图5 前驱体洗涤程度对水热制备的ATO-180电导率的影响Fig.5 Resistivity ofATO-180 with different precursor washing degree2.6 ATO水凝胶的透明隔热特性水热法制备的ATO水凝胶直接刮涂制备的透明薄膜的透光率如图6所示. 可以看出,普通的载玻片在可见光区(400 nm< λ <760 nm)透过率为90%,而在红外光区(λ >760 nm),透过率仍保持在90%以上,吸光率约为10%. 当ATO水凝胶涂覆在载玻片上,可见光区的透过率仍能达到85%以上,且在红外光区有一定的吸收. 对比不同pH条件下水热反应制备的ATO水凝胶,可以看出,在碱性条件下水凝胶薄膜在红外光区透过率为73%,而酸性条件下其透过率为47%,说明,酸性条件下制备的ATO水凝胶具有很好的红外光的吸收性能,在2 400 nm处,吸光率达到53%,这些数据表明ATO薄膜具有优异的透明隔热特性.图6 不同水热反应pH下ATO水凝胶涂层的透光率Fig.6 Transmittance of ATO with different pH in the hydrothermal reaction3 结论以醋酸共沉淀法制备的ATO湿凝胶为前驱体,利用水热反应制备ATO水凝胶. 所制备的纳米ATO水凝胶具有较小的晶粒尺寸(约5 nm);较低的电阻率值,260 ℃水热反应,60 ℃干燥后其电阻率为180 Ω·cm,600 ℃煅烧后,电阻率为0.8 Ω·cm;前驱体的洗涤程度对水凝胶的电阻率影响不大;酸性条件下得到的水凝胶的电阻率最优,且水凝胶直接刮涂得到的透明隔热薄膜具有优异的可见光透过率(大于85%)和红外光吸收率(2 400 nm处,吸光率达到53%).参考文献:[1] ISHIHARA Y, HIRAI T, SAKURAI C, et al. Applications of the particle ordering technique for conductive anti-reflection films [J]. Thin Solid Films, 2002, 411(1): 50-55.[2] JAIN G, KUMAR R. Electrical and optical properties of tin oxide andantimony doped tin oxide films [J]. Optical Materials, 2004, 26(1): 27-31. [3] PLETNEV M A, MOROZOV S G, ALEKSEEV V P. Peculiar effect of chloride ions on the anodic dissolution of iron in solutions of various acidity [J]. Protection of Metals, 2000, 36(3): 202-208.[4] GIESEKKE E W, GUTOWSKY H S, KIRKOV P, et al. A proton magnetic resonance and electron diffraction study of the thermal decomposition of tin (IV) hydroxides [J]. Inorganic Chemistry, 1967, 6(7): 1294-1297.[5] VINCENT C A. The nature of semiconductivity in polycrystalline tin oxide [J]. Journal of the Electrochemical Society, 1972, 119(4): 515-518. [6] 赵晓伟, 杨万婷, 陈振奇, 等. 醋酸盐共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡(ATO)粉体[J]. 化学研究, 2016, 27(5): 621-625.ZHAO X W, YANG W T, CHEN Z Q, et al. Preparing antimony-doped tin dioxide(ATO) powder by acetate co-precipitation mothed[J]. Chemical Research, 2016, 27(5): 621-625.。
锑掺杂二氧化锡纳米粉体的制备及性能

锑掺杂二氧化锡纳米粉体的制备及性能
孟杰;孙淑清;李婷;马向辉;范军刚
【期刊名称】《化学工业与工程》
【年(卷),期】2007(024)004
【摘要】以SnCl4·5H2O和SbCl3为主要原料,采用化学共沉淀法制得了纳米级的高导电性能的锑掺杂二氧化锡(ATO)超细粉体.研究了制备工艺对ATO粉体粒径和导电性能的影响,并探讨其影响机理,得到最佳工艺参数.运用热重-差热(TG-DTA)、X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等测试方法对ATO粉体进行表征,并将试验产品与国内市场的同类产品性能进行了对比.
【总页数】5页(P309-313)
【作者】孟杰;孙淑清;李婷;马向辉;范军刚
【作者单位】天津大学理学院,天津300072;天津大学理学院,天津300072;天津大学理学院,天津300072;天津大学理学院,天津300072;天津大学理学院,天津300072
【正文语种】中文
【中图分类】TN304.2+1
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4.溶胶-凝胶法制备锑掺杂氧化锡纳米粉体 [J], 殷馨;王宏志;张青红;许国栋;张建荣;王海文
5.一种制备锑掺杂二氧化锡纳米粉体的方法 [J],
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锑掺杂二氧化锡(ATO)导电机理及制备方法研究现状

锑掺杂二氧化锡(ATO)导电机理及制备方法研究现状
杨建广;唐谟堂;杨声海;唐朝波;张保平
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2004(018)003
【摘要】介绍了锑掺杂二氧化锡(ATO)的导电机理和该材料湿相制备方法的研究现状.晶格的氧缺位、5价Sb杂质在SnO2禁带形成施主能级并向导带提供n-型载流子是ATO导电的2种主要机理,湿相制备超细ATO可分为均相沉淀和非均相沉淀方案,其中均相沉淀法的产品质量最佳.最后列举了ATO超细粉制备存在的问题,并提出了对今后研究工作的展望
【总页数】4页(P17-20)
【作者】杨建广;唐谟堂;杨声海;唐朝波;张保平
【作者单位】中南大学冶金科学与工程学院,长沙,410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙,410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙,410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙,410083;中南大学冶金科学与工程学院,长沙,410083
【正文语种】中文
【中图分类】TB3
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朝波;杨声海
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一种微爆法制备纳米锑掺杂氧化锡粉体的方法[发明专利]
![一种微爆法制备纳米锑掺杂氧化锡粉体的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a210f59e1711cc7931b716e8.png)
专利名称:一种微爆法制备纳米锑掺杂氧化锡粉体的方法专利类型:发明专利
发明人:赵晓伟,张经纬,张治军
申请号:CN202110146322.7
申请日:20210203
公开号:CN112591787A
公开日:
20210402
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明涉及一种微爆法制备纳米锑掺杂氧化锡粉体的方法:将ATO前驱体浆料与硝酸铵水溶液混合并分散均匀,获得含硝酸铵的ATO前驱体浆料;加入含有机酸和乳化剂的乙醇溶液,并调节pH值为2~10,分散均匀;然后40~120℃烘干,得到ATO前驱体粉体;最后在400~800℃下退火处理1~5 h,即得蓝色的纳米ATO粉体。
本发明方法工艺过程简单,条件温和,不需特殊的设备,仅需普通烘箱在脱水烘干阶段即可形成粉体,而无需研磨。
与燃烧法相比,有机燃烧剂和硝酸或硝酸铵的用量降低了200‑700倍,相应地废气排放也下降200‑700倍,且在无燃烧的情况下成粉,节约成本,安全性更高;所得纳米ATO粉体具有高的导电性。
申请人:河南大学
地址:475001 河南省开封市明伦街85号
国籍:CN
代理机构:郑州联科专利事务所(普通合伙)
代理人:杨海霞
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制备含有锑掺杂二氧化锡纳米粒子聚酯树脂的改进方法[发明专利]
![制备含有锑掺杂二氧化锡纳米粒子聚酯树脂的改进方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/df1c83fba300a6c30d229f59.png)
专利名称:制备含有锑掺杂二氧化锡纳米粒子聚酯树脂的改进方法
专利类型:发明专利
发明人:李春忠,邵玮,邓超,贺俊卿
申请号:CN200810032485.7
申请日:20080110
公开号:CN101235132A
公开日:
20080806
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明涉及一种含有锑掺杂二氧化锡纳米粒子(ATO)聚酯树脂的制备方法。
所说的制备方法包括:(1)将锑掺杂纳米二氧化锡分散于主要由乙二醇和去离子水组成的混合物中,其中乙二醇与去离子水的体积比为1∶(0.1~1),得含有锑掺杂二氧化锡超细粒子、乙二醇和去离子水的混合物;(2)将对苯二甲酸、乙二醇、催化剂和稳定剂加入由步骤(1)制得的含有锑掺杂二氧化锡超细粒子、乙二醇和去离子水的混合物中,依次经蒸除水份、酯化、预缩聚和缩聚步骤获得目标物等步骤。
本发明简化了ATO改性的聚酯树脂的制备过程,降低操作费用。
为抗静电聚酯树脂的规模化商业制备奠定了基础。
申请人:华东理工大学
地址:200237 上海市徐汇区梅陇路130号
国籍:CN
代理机构:上海顺华专利代理有限责任公司
代理人:陈淑章
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沉淀后处理对掺锑氧化锡粉体性能的影响

沉淀后处理对掺锑氧化锡粉体性能的影响刘述忠;李晓阳;赵建为;朱心昆【期刊名称】《材料导报》【年(卷),期】2008(022)0z1【摘要】探讨了以无机物为原料,采用共沉淀法制备纳米掺锑氧化锡(ATO)粉体材料时,沉淀后处理对粉体性能的影响.研究采用3种方式对沉淀进行洗涤:(a)沉淀在饼状下直接水洗;(b)沉淀在分散状态下水洗;(c)沉淀在(b)洗涤后再醇洗等.粉体的透射电镜(TEM)结果表明:采用(c)洗涤的分散性最好.在沉淀中添加了几种表面活性剂以制备分散性良好的粉体.TEM结果表明:非离子型表面活性剂聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮K30制得的粉体为单分散性状态,而离子型表面活性剂十二烷基磺酸钠和油酸钠不能使粉体良好分散.X射线衍射(XRD)结果表明粉体的晶粒尺寸随煅烧温度的升高而增大.温度应高于310℃,Sb取代Sn的掺杂才可能进行.【总页数】3页(P119-121)【作者】刘述忠;李晓阳;赵建为;朱心昆【作者单位】昆明理工大学材料冶金学院,昆明,650093;昆明冶研新材料股份有限公司,昆明,650031;昆明冶研新材料股份有限公司,昆明,650031;昆明冶研新材料股份有限公司,昆明,650031;昆明理工大学材料冶金学院,昆明,650093【正文语种】中文【中图分类】TB3【相关文献】1.一维导电掺锑氧化锡粉体的制备和表征 [J], 陈雪峰;洪若瑜;王力通2.沉淀后处理对掺锑氧化锡粉体性能的影响 [J], 刘述忠;李晓阳;赵建为;朱心昆3.共沉淀法制备掺锑氧化锡粉体及其性能 [J], 刘述忠;李晓阳;朱心昆;赵建为;周康4.超临界流体干燥法制备纳米掺锑氧化锡粉体 [J], 杨芬;张永伍;汪帆;刘品华5.煅烧温度对掺锑氧化锡粉体性能的影响 [J], 刘述忠;李晓阳;朱心昆;赵建为因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
制备低团聚掺锑氧化锡超细粉体的新方法

制备低团聚掺锑氧化锡超细粉体的新方法吴湘伟;陈振华;黄培云【期刊名称】《中国粉体技术》【年(卷),期】2005(011)001【摘要】以SnCl4·5H2O和SbCl3为原料,用醇盐水解法制备了纳米掺锑氧化锡(ATO)导电粉体.用正丁醇二甲苯的混合溶剂共沸蒸馏、有机脱水剂以及其它方法对前驱体胶态沉淀进行脱水处理,以消除粉体团聚.运用XRD、TEM、BET等手段对粉体进行表征,比较了各种脱水处理方法对ATO纳米导电粉体的粒度、团聚度、晶粒生长以及电阻率的影响.结果表明,混合溶剂共沸蒸馏处理以及有机脱水剂是比较有效的脱水方法,可以用来制备比表面积大(85.32m2·g-1)、团聚小、电阻率低的纳米ATO导电粉体.【总页数】5页(P7-11)【作者】吴湘伟;陈振华;黄培云【作者单位】中南大学,材料科学与工程学院,湖南,长沙,410083;湖南大学,材料科学与工程学院,湖南,长沙,410082;中南大学,材料科学与工程学院,湖南,长沙,410083;湖南大学,材料科学与工程学院,湖南,长沙,410082;中南大学,材料科学与工程学院,湖南,长沙,410083;湖南大学,材料科学与工程学院,湖南,长沙,410082【正文语种】中文【中图分类】TQ174【相关文献】1.一维导电掺锑氧化锡粉体的制备和表征 [J], 陈雪峰;洪若瑜;王力通2.乙酸异戊酯共沸干燥法制备低团聚掺锑氧化锡纳米微粉 [J], 杨芬;张学俊;甘复兴3.低团聚掺锑氧化锡纳米微粉的制备 [J], 杨芬;张学俊;甘复兴4.掺锑二氧化锡超细粉水分散体系的制备 [J], 李青山;张金朝;宋鹂;杨少山;王俊5.掺锑氧化锡纳米粉体的制备与表征 [J], 雷莎莎;尹作栋;苏孟因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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2016年9月 化 学 研 究621第27卷第5期 CHEMICAL RESEARCH http://hxya.cbpt.cnki.net醋酸盐共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡(ATO)粉体赵晓伟1,2,杨万婷1,陈振奇1,张经纬1!,张纪伟1,郭建辉1,张治军1*(1.河南大学纳米杂化材料应用技术国家地方联合工程中心,河南开封475004;2.河南大学河南省工业冷却水循环利用工程技术研究中心,化学化工学院,河南开封475004)摘 要:在较低的温度下将锡粉和三氧化二锑溶于冰醋酸并通过共沉淀,成功制备了锑掺杂二氧化锡(ATO)纳米粉体.采用XRD、SEM、TEM、N2等温吸/脱附及粉末电阻率测试仪等对其结构、形貎和导电性进行表征,并研究了锑掺杂浓度对ATO导电性能的影响.结果表明:随着锑掺杂量的增加,ATO粉体电阻率有一最低值,即在锑掺杂浓度为8%时,ATO粉体电阻率可达0.4Ω·cm;ATO粉体的一次粒径约为5nm,其比表面高达85.9m2/g.关键词:锑掺杂氧化锡(ATO);醋酸;透明导电材料中图分类号:O611.62文献标志码:A文章编号:1008-1011(2016)05-0621-05Preparing antimony-doped tin dioxide(ATO)powder byacetate co-precipitation methodZHAO Xiaowei 1,2,YANG Wanting1,CHEN Zhenqi 1,ZHANG Jingwei 1*,ZHANG Jiwei 1,GUO Jianhui 1,ZHANG Zhijun1*(1.National &Local Joint Engineering Research Center for Applied Technology of Hybrid Nanomaterials,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China;2.Henan Engineering Research Center of Industrial Circulating WaterTreatment,College of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University,Kaifeng475004,Henan,China)Abstract:Antimony-doped tin oxide(ATO)nano-particles powder was fabricated successfullyby dissolving tin powder and antimony oxide into glacial acetic acid at lower temperature andco-precipitating process subsequently.The structure,morphology and electric conductivitycharacterizations were carried out through XRD,SEM,TEM,N2adsorption/desorption iso-therm and powder resistivity test instrument,respectively.The effect of antimony doping con-centration on ATO electric conductivity was researched.The result showed powder resistivityof as-prepared ATO could reach 0.4Ω·cm at antimony-doped concentration of 8%.The pri-mary particle size of ATO powder is about 5nm,which has a specific surface area as high as85.9m2/g.Keywords:antimony-doped tin oxide(ATO);acetic acid;transparent conductive material收稿日期:2015-10-08.基金项目:国家自然科学基金(20971037),河南省高校科技创新团队资助项目(16IRTSTHN015).作者简介:赵晓伟(1976-),男,讲师,研究方向为纳米复合材料.!通讯联系人:E-mail:jwzhang@henu.edu.cn;zhangzhi-jun@henu.edu.cn. 二氧化锡是宽带隙(Eg=3.6eV)的n型半导体[1],经Sb掺杂后,形成锑掺杂二氧化锡(antimo-ny-doped tin dioxide,简称ATO),具有高的透明导电性.ATO在透明隔热、抗静电、光电显示器件、透明电极、太阳能电池、液晶显示、催化等领域日益受到科学工作者的广泛关注[2].目前,ATO粉体的制备大多采用氯化(亚)锡或其水合物与三氯化锑为原料,由于氯离子具有较强的亲核性和吸附性[3],需要大量的水反复多次洗涤或渗析,且在后期呈凝胶状,洗涤过程十分缓慢[4].另一方面残留的氯离子需要更高的煅烧温度,必然导致颗粒间更为严重的团聚[5],且氯离子对金属具有较强的腐蚀性[3],在后续的处理过程中,对设备提出了更高的要求.这些不利因素将大大增加ATO622 化 学 研 究2016年的生产成本和降低ATO的品质.为了从根本上解决纳米ATO制备过程中,氯离子和钠离子存在造成的难以洗涤[4]、对设备腐蚀[3]、产品易于团聚[5]和导电率下降[6]等不利影响,张建荣[7]、JEON[8]和YU[9]等采用了无氯的原料来制备,降低了ATO粉体的团聚,导电性有所提高.反应体系中柠檬酸的引入,一方面起到络合剂的作用,促进金属锡的溶解,另一方面可以吸附在ATO表面,防止团聚,在燃烧法制备过程中,还起到燃烧剂的作用[7].醋酸为弱酸,溶解金属过程较为缓慢,用其作为金属锡的溶解介质的报道很少.如DONALDSON等发现在N2保护下,90g锡溶解在冰醋酸中制备醋酸亚锡,需要回流(冰醋酸沸点为:140℃[10])80~90h才能完全溶解[11],或在100~200℃下反应得到醋酸锡[11],但醋酸亚锡在400℃以下热解制备SnO2,分解不完全,且易产生杂相,如SnO,Sn2O3等[10].目前,尚未有更低溶解温度的报道,更没有直接用醋酸作溶剂来制备ATO的报道.KNEZEVIC等[12]发现用金属锡粉代替锡粒,氧化步骤的温度可降低至100~120℃.在实验过程中,本课题组发现某类物质不仅能够加快金属锡在冰醋酸中的溶解,而且可以降低溶解温度,该类物质可以做为溶解促进剂加速锡在冰醋酸中的溶解.本文作者拟以无氯的单质锡粉和氧化锑为锡锑源,在溶解促进剂的作用下,二者可快速溶于醋酸中形成醋酸锡和醋酸锑,用氨水共沉淀后制备纳米ATO粉体,并研究其溶解的反应机理以及不同掺杂量对所制ATO粉体导电性的影响.1 实验部分1.1 实验试剂及仪器锡粉(99.5%,200目,国药集团化学试剂有限公司);三氧化二锑、正丁醇(分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司);冰醋酸(分析纯,天津市富宇精细化工有限公司);氨水(分析纯,洛阳昊华化学试剂有限公司);市售双氧水(30%,洛阳昊华化学试剂有限公司);溶解促进剂(河南大学纳米材料工程研究中心).FZ-2010粉末电阻率测试仪(上海益羽仪器仪表有限公司);DX-2500型XRD(丹东方圆仪器有限公司).1.2 醋酸法ATO粉体的制备称取适量的溶解促进剂加入到250mL的三口烧瓶中,加入125mL冰醋酸,开启机械搅拌.待其完全溶解后,加入5g锡粉和计量的Sb2O3,在60℃下搅拌反应约2h,待固体全部转化为黑色时,将10mL双氧水(30%)与5mL水的混合物滴加入反应瓶中,黑色固体可快速溶解,得到淡黄色透明溶液.在快速搅拌下将上述溶液返滴入计量的氨水中共沉淀完全,陈化过夜.随后,用水反复洗涤、抽滤至滤液电导率低于500μS·cm-1,得到黄色凝胶状固体,于80℃下烘干.经研磨筛分或用正丁醇共沸蒸干后,在600℃下煅烧2h,得蓝色固体.改变Sb2O3的用量,可得到掺杂量不同的ATO粉体.1.3 导电性能测试电阻率测试:称取0.7g不同锑含量的ATO粉末放入压片模具(直径D=(6.0±0.3)mm)中,加压至8MPa,用粉末电阻率测试仪在线测定粉体的电阻值,读取压饼高度(H),电阻率(ρ)由下式求得:电阻率ρ=R·SH=πD2·R4 H其中,ρ为体积电阻率:Ω·cm;R为电阻值:Ω;D为导电粉末样品池的直径,cm;H为导电粉末样品柱的高度:cm.2 结果与讨论2.1 合成机理实验发现,锡与冰醋酸直接反应非常缓慢,且释放出氢气,溶解促进剂的存在则可加快锡在冰醋酸中的溶解,而氧化锑易溶解于冰醋酸中.当锡粉和氧化锑共存时,锡粉并非直接溶解于醋酸,而是首先转化为黑色絮状物,且无气体放出.待锡粉全部转化为黑色絮状物时,加入双氧水,可快速溶解.为了确认黑色物质的成分,将反应过程中产生的黑色絮状物从反应体系中分离出来,进行XRD分析,结果如图1.图1 黑色絮状物的XRD图Fig.1 XRD patterns of the black floccule第5期赵晓伟等:醋酸盐共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡(ATO)粉体623 由图1可知,黑色絮状物为两相体系,分别是新生成的锡锑合金(卡片号:PDF#33-0118)和少量未完全反应的金属锡(卡片号:PDF#04-0673).结合实验现象与中间产物,推断其反应过程和机理如下.在无氧化锑存在时,Sn与HAc和H2O2反应生成醋酸锡和水.而在锡和氧化锑同时存在时,氧化锑与醋酸快速反应生成醋酸锑,其后,锑被金属性更强的锡置换出来,并与锡形成黑色的锡锑合金.当加入双氧水时,锡锑合金和未反应的锡一起溶解,并同时将低价金属离子氧化为高价态.据此计算,理论上5g锡制备ATO恰好需要加入10mL的双氧水(30%),才能完成溶解,这与实验相符合.若过氧化氢低于该用量,则不能完全溶解.2.2 不同的锑掺杂量对ATO结构的影响不同掺杂量ATO前驱体干凝胶和经600℃退火处理的样品进行了XRD表征,结果如图2.图2 不同掺杂量ATO前驱体(a)和600℃退火产物(b)的XRD图Fig.2 XRD patterns of ATO precursor(a)and anneled product at 600℃with different antimony-doped content 如图2(a)所示,不论掺杂含量高低,ATO前驱体在干燥过程中,均已部分转化为金红石相SnO2(PDF#41-1445)结构,且没有发现其他杂质相.与文献报道的由醋酸亚锡在400℃以下受热分解制备SnO2的方法相比[10],具有更大的优势.从峰强和峰的宽化现象上看,前驱体干凝胶的结晶并不完善.由图2(b)可知:前驱体干凝胶经600℃退火处理后,峰强明显增强,而峰的宽化减小,说明其晶粒长大,结晶更为完善.不同掺杂量ATO的(110)晶面峰参数列于表1,其中晶粒尺寸按Scherrer公式计算.由表1中数据可以清楚地看到(110)晶面峰各参数的变化情况.明显地,随着锑掺杂量的提高,峰强减弱,半高宽相应地增大,而晶粒尺寸随着锑掺杂量的增加而减小.这是由于锑的掺杂使SnO2结晶产生了更多的晶格缺陷[13],或在退火处理时,锑在SnO2表面偏析更多[14],二者均不利于SnO2晶粒的生长,限制了晶粒的进一步长大.表1 不同锑掺杂量ATO的(110)晶面峰参数Table 1 Parameter of crystal plane(110)peak for ATO with different antimony-doped contentSb/Sn/%0 2 4 6 8 10 晶粒大小/nm 8.7 7.6 6.8 5.9 5.7 5.3半高宽/(°)0.92 1.05 1.18 1.35 1.41 1.51强度579 490 435 378 346 2622.3 ATO粉体的形貌表征共沸脱水干燥是制备纳米粉体材料常用的方法,将ATO前驱体湿凝胶用正丁醇进行共沸脱水干燥(共沸点:92.4℃),并经600℃退火处理后,进行了SEM和HRTEM形貎表征,结果如图3.624 化 学 研 究2016年图3 ATO粉体的SEM(a,b)和HRTEM照片(c)和选区衍射花样图(d)Fig.3 FE-SEM images(a and b),HRTEM image(c)and SAED pattern(d)of ATO powder 从图3(a,b)的FE-SEM可以看出:ATO粉体颗粒尺寸在1μm左右,且较为均一.从图3(c)高分辨电镜照片中ATO的结晶条纹可以看出,ATO结晶比较完善,其晶区尺寸较小,为5nm左右,这可能与共沸有关.在共沸时,正丁醇的-OH取代HOH,并在ATO颗粒表面形成包覆层,阻止了晶粒的进一步长大.衍射图上可以看出,衍射条纹从内到外,依次对应ATO的(110)、(101)、(200)、(211)和(301)晶面,说明ATO为多晶结构,与XRD的结果相一致.2.4 不同的锑掺杂量对ATO导电性的影响ATO粉体的特性是透明导电性,随后测定了不同掺杂量ATO粉体的电阻率,如图4.未掺杂SnO2的电阻率超出了仪器的测量范围,其电阻率大于106Ω·cm.由图4可知:随着锑掺杂量的增加,电阻率明显降低.这是因为锑的掺杂为SnO2晶格提供了更多的载流子,随着锑掺杂量的增加,载流子增多,导电性大大增加,当掺杂量达到8%时,电阻率达到0.4Ω·cm.掺杂量增至10%,电阻率反而增大至0.89Ω·cm.这与大多文献报道相一致,即随着掺杂量的增加,电阻率先降低后增大.一般认为Sb3+的半径(0.076nm)比Sn4+的半径(0.069nm)大,而Sb5+的半径(0.060nm)则较小,掺杂伴随着强烈的氧化倾向,在Sb含量较低时,Sb以Sb5+的形式掺杂,提供自由电子作为载流子,是n型半导体,随着掺杂量的增大,载流子的浓度增大,电阻率随之降低;当掺杂量进一步增大时,Sb3+/Sb5+的比例上升,产生偿消作用,电阻率随之升高.该法制备的ATO粉体电阻率较文献报的低,其原因可能是无氯原料的使用有效避免了氯离子的干扰,另一方面可能是H2O2的加入,使更多的Sb3+被氧化为Sb5+,从而提高其导电性.图4 不同掺杂量ATO粉体的电阻率Fig.4 Resistivity of ATO powder with differentantimony-doped tin dioxide content2.5 ATO粉体的比表面积比表面积是粉体纳米材料的重要参数,通过N2等温吸附-解吸的方法测定了ATO粉体的比表面积.N2等温吸附-解吸曲线如图5.由ATO粉体的N2等温吸附-解吸曲线,按照BET公式计算出ATO粉体的比表面积为85.9m2/g.纳米ATO粉体大的比表面积可能与醋酸在第5期赵晓伟等:醋酸盐共沉淀法制备锑掺杂二氧化锡(ATO)粉体625 ATO前驱体表面的吸附导致颗粒的团聚程度大大降低有关.图5 ATO粉体的N2等温吸附-解吸曲线Fig.5 N2adsorption/desorption isotherm curvesof ATO powder3 结论通过无氯的工艺路线成功制备了纳米ATO粉体.所制备的纳米ATO粉体具有较小的晶粒尺寸(约5.0nm)、较大的比表面积(85.9m2/g)和较低的电阻率值(0.4Ω·cm).参考文献:[1]CHEN Z,PAN 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