溶剂热法合成纳米材料

溶剂热法合成纳米材料

摘要：本文主要探讨采用不同反应物通过溶剂热法合成各种纳米材料过程中，控制反应条件（如反应的时间、温度、反应介质、PH值等）之后，对纳米晶体结构、原子配比、表面形貌、颗粒尺寸、比表面积及光学性能等的影响，从而得到某些性能更加优良，易于人类社会发展的纳米材料。

关键词：溶剂热法纳米晶体晶体性能

近年来，纳米材料在光伏领域受到广泛的关注，它们被应用太阳能电池、锂电池以及光催化剂降解有机污染物等方面。介绍三种纳米材料的反应条件对晶体的影响。

一、CuIn

1-x Ga

x

Se

2

纳米材料

铜铟镓硒（简称CIGS）是具有四方晶系黄铜矿结构的直接带隙半导体纳米材料，其光吸收系数高达105cm-1，以CIGS为吸收层的薄膜太阳电池凭借效率高、成本低、性能稳定和抗辐射能力强等特点，备受亲睐。CIGS研究领域一直试图通过提高电池的光电转换效率和降低成本来提升CIGS薄膜太阳电池的产业竞争力，非真空涂覆法制备CIGS能满足这一热点。传统溶剂热法合成合成粉体通常需要在高温条件下长时间保温,但低温时合成的晶体是不纯的。

莫淑一，龙飞等人以氯化铜、氯化铟、氯化镓以及硒粉为原料，乙二胺为溶剂，采用微波辅助溶剂热法合成CIGS纳米粉，通过微波对物质内部加热而迅速升温，且物体各部位均匀渗透电磁波产生热量，改善溶液体系受热均匀性，减少反应时间。

他们的实验结果揭示了反应时间和温度对于对产物物相以及形貌的影响。如下：

1.“微波溶剂热合成CIGS粉体的最佳合成温度为230℃，反应时间为2h，在该条件下合成产物为物相纯净的CuIn0.5Ga0.5Se2四元相,产物形貌颗粒状和片状组成,颗粒尺寸约为90-100nm,片状厚度约为90nm。

2. 反应温度和反应时间对微波溶剂热合成CIGS粉体物相的影响都起到重要

作用,随反应温度的升高,合成产物的结晶程度越来越好,反应进行更快;随反应时间的延长，产物物相逐渐转变为纯净的CIGS四元相，并且延长反应时间增加产物的结晶程度。”①

二、CuInS2纳米材料

CuInS2作为太阳电池的光吸收层引起了科学家与企业广泛关注，其优势是原材料损耗小，对温度的变化不敏感、性能稳定、吸收系数高达105 cm-1，“经过理论预测，CuInS2类太阳能电池的转换效率在28%-32%，它是最有希望实现工业化的薄膜型太阳能电池材料。”②

目前存在好多制备CuInS2方法，比如磁控溅射法、真空蒸镀法、电沉积法、溶剂热法等。其中溶剂热法因其工艺简单，成本低，污染小等优势逐渐成为研究热点。近年来，大多数研究机构以乙二醇作溶剂成功制备了性能较好的CuInS2纳米晶体，但晶体团聚现象严重。

赵琴，冯清等人以CuCl2·2H2O为铜源，InCl3·4H2O为铟源、DMF、乙二醇、丙三醇、DMF和乙二醇的等体积混合为溶剂，用溶剂热法在190℃下反应12h 合成CuInS2纳米晶体。从实验数据分析发现，不同反应介质对纳米晶体原子配比、晶体物相结构、表面形貌、光吸收性能均有影响，同时PH值对CuInS2纳米晶体物相结构和光吸收性能也有影响。

1. 不同反应溶剂合成的CuInS2纳米晶体物相结构不同，有的晶粒细，纯度较高，有的则不然。

2. CuInS2纳米晶体原子配比，是影响其电学性质的主要因素，CuInS2纳米晶体的元素组成偏离化学计量比时会产生点缺陷，但是CuInS2纳米晶体具有本征自掺杂特性，不需要其他元素的掺杂，只需通过调整元素的组成比就可以获得不同的导电类型材料。此外，即使组成严重偏离1:1:2，CuInS2纳米晶体仍具有黄铜矿结构，其物理、化学性质不会发生太大改变。所以反应介质对CuInS2纳米晶体原子配比没有影响。

3. CuInS2纳米晶体的表面形貌也受反应介质的影响，不同的溶剂中制备出

①龙飞，莫淑一，谢春燕等.微波溶剂热法合成Cu（In，Ga）Se

2纳米粉体［J］.复合材料学报，2013.12，第30卷.

②赵琴，冯清，高延敏.反应介质对溶剂热法合成CuInS

2纳米晶体的影响［J］.武汉理工大学学报，2013.02，第35卷（2）.

的晶体团聚现象严重程度是不同的。

4. 不同反应溶剂对合成CuInS2纳米晶体光吸收性能有影响，选用DMF、乙二醇、丙三醇、DMF与乙二醇等体积混合作溶剂制备的CuInS2纳米晶体在可见光区均有很好的吸收，部分紫外区也有光吸收现象，但因杂质影响，导致形状各异。

5. PH值越低所制得的纳米晶体尺寸越小；随着反应体系PH值的下降，在强酸体系下制备的CuInS2纳米晶体逐渐由团聚的微球变为较为清晰的纳米片组成的微球；不同PH值对合成纳米晶体原子配比无影响，原子配比没有明显的偏离。

6. 在强酸体系中制备的CuInS2纳米晶体其禁带宽度与理论值非常接近。同时也满足太阳能电池材料的最佳禁带宽度（1.45eV）。

三、LiFePO4纳米材料

LiFePO4具有工作电压稳定，热稳定性和循环稳定性好，对环境友好以及价格低廉等优

点，是极具发展前景的锂离子电池正极材料。LiFePO4材料的纳米化可以减弱极化，减小电阻，提高自身的电子电导率和锂离子扩散系数，提高电池的充放电容量与循环稳定性等，从而可以有效提升其电化学性能，促进正极材料的进一步发展。

目前LiFePO4纳米材料合成方法主要有高温固相法、微波合成法、溶胶-凝胶法、共沉淀法和溶剂热法等，溶剂热法具有操作简单，合成温度较低等优点。而且利用该方法合成出的LiFePO4纳米材料结晶良好，无需煅烧即具有优异的电化学性能，因而引起了更多相关研究人员的重视。

刘洋、周兴平以乙二醇为溶剂，氢氧化锂为锂源，七水合硫酸亚铁为铁源，采用溶剂热法合成形貌均一，粒径分布均一的LiFePO4纳米材料。（某一组让加入异种晶）整个实验证明：

1.通过X射线衍射分析，溶剂热法在180℃的反应温度下，不经过高温煅烧即可得到晶型完整的LiFePO4；

2. 反应时间对制得的LiFePO4纳米颗粒尺寸的影响：在溶剂热法合成过程中，随着反应时间的进行，产物LiFePO4颗粒逐渐长大，而形状则由不规则的纳米颗粒逐渐生长为规则的菱形片状颗粒，且粒径分布较为均匀。