[發(fā)明專利]一步法制備氧化鎘納米線的方法及其應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2016-04-20
• 公開（公告）號: CN107304065A
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魯逸人;陳鵬;李振國;童銀棟;劉雙喜;張立紅;任曉寧;劉憲華;魏樹龍
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: C01G11/00
• 分類號: C01G11/00
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)12214
• 代理人: 王秀奎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地說，涉及化學(xué)氣相沉積法合成分枝狀氧化鎘納米線的光電催化材料技術(shù)領(lǐng)域，在FTO(即摻雜氟的氧化錫透明導(dǎo)電膜，簡稱FTO膜)玻璃上，利用雙溫區(qū)真空管式爐一步法合成具有均勻分支結(jié)構(gòu)的氧化鎘CdO納米線。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體納米線(NWS)具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，主要是因為其具有單晶體結(jié)構(gòu)及可調(diào)的原子組成和尺寸大小。一維II–VI族金屬半導(dǎo)體陣列基板引起越來越多的關(guān)注，因為其在場發(fā)射、太陽能電池、傳感器、激光和太陽能電池等方面具有潛在的應(yīng)用價值。氧化鎘是典型的II–VI族金屬化合物，作為一個具有高電子密度的直接帶隙半導(dǎo)體，氧化鎘具有很高的光吸收系數(shù)及帶隙能量(≈2.27ev)，其能級之間可直接躍遷，離子鍵成分很大。氧化鎘的能級改變，能隙變寬，吸收和發(fā)射光譜向短波方向移動，這些改變都是由量子尺寸效應(yīng)引起的，表面效應(yīng)主要引起微粒表面原子輸運(yùn)和構(gòu)型的變化，表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜也會發(fā)生改變，這些變化對電學(xué)和光學(xué)都會產(chǎn)生重要的影響。氧化鎘帶隙能量能夠匹配太陽輻射光譜的范圍，因此氧化鎘對于太陽能應(yīng)用是一個優(yōu)良的光捕獲劑。

光學(xué)特性：納米粒子具有光致發(fā)光的特性，當(dāng)粒子尺寸與激子伯爾半徑相近時，若粒子尺寸再減小，半導(dǎo)體粒子的有效帶隙就會增加，它的吸收光譜和熒光光譜將發(fā)生一定的藍(lán)移，一系列分立能級在能帶中形成。電學(xué)特性：由于具有高比表面積、高活性、特殊的物性，使得粒子成為傳感器方面的首選材料外界環(huán)境如濕度、光、氣體等的改變都會引起表面或界面價態(tài)電子的變化，電阻會發(fā)生顯著的變化，據(jù)此可作為傳感器，目前，已經(jīng)制成的傳感器有氧傳感器、二氧化氧傳感器、光傳感器和濕度傳感器。光電催化特性：因為具有很高的光致電荷分離效率，所以光電催化活性很高。太陽能電池價格低、工藝簡單，很有可能解決太陽能電池的問題，另外，在光催化中，還可以作為催化劑來應(yīng)用。光電轉(zhuǎn)換特性：由于納米半導(dǎo)體粒子能夠構(gòu)成多孔的、比表面積比較大的PEC電池，并且能夠進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換而備受關(guān)注。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能在CdO納米 電池中也存在。

在過去的幾十年中，許多方法已成功被用于去合成一維氧化鎘納米結(jié)構(gòu)，如納米線(NWS)，納米帶(NRS)，和納米管(NTS)等。在各種不同的方法，氣相沉積法已被廣泛用于高質(zhì)量、高密度的各種成分納米線的生長。最近，基于微/納米棒復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合成是國內(nèi)外研究的熱點，這可能提供更多的機(jī)會去利用一維微/納米結(jié)構(gòu)本身的獨(dú)特光學(xué)及電學(xué)特性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一步法制備氧化鎘納米線的方法及其應(yīng)用，制備方法簡單，不需要模板劑，采用低溫化學(xué)氣相沉積法(CVD)合成的氧化鎘納米線材料，并可作為光電催化材料進(jìn)行使用。

本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一步法制備氧化鎘納米線的方法，按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，將氧化鎘粉末和鉍粉末分別置于容器中，并將兩個容器置于真空管式氣氛爐的石英管中且位于真空管式氣氛爐加熱區(qū)的中心，在石英管的出氣口處設(shè)置載體；

在步驟1中，所述載體為FTO玻璃。

在步驟1中，氧化鎘和鉍的摩爾比為(5—20)：(1—3)，優(yōu)選(10—15)：(2—3)；氧化鎘粉末至少為化學(xué)純，粒徑為納米或者微米級，例如200—500nm，或者400—800微米；鉍粉末至少為化學(xué)純，粒徑為納米或者微米級，例如200—500nm，或者400—800微米。

步驟2，向石英管中通入惰性氣體并抽真空，以消除氧氣，使得石英管中的壓力小于0.1托，調(diào)整向石英管中通入的惰性氣體的流量并維持穩(wěn)定，以使惰性氣體作為載氣使用且石英管內(nèi)壓力維持在5—8托；

在步驟2中，惰性氣體為不參與反應(yīng)的，且性質(zhì)穩(wěn)定的氣體，例如氮?dú)狻⒑饣蛘邭鍤狻?/p>

在步驟2中，惰性氣體作為載氣使用時，惰性氣體的流量穩(wěn)定在200—500sccm，優(yōu)選300—400sccm。

在步驟2中，托為壓強(qiáng)單位，1Pa≈7.5006×10^-3Torr(托)。

在步驟2中，惰性氣體作為載氣使用時，石英管內(nèi)壓力維持在5—6托。

步驟3，真空管式氣氛爐加熱區(qū)中心以5—10℃/分鐘的速度自室溫20—25攝氏度加熱到700-750℃并維持，以使在石英管出氣口處的載體上生長出氧化鎘納米線。

在步驟3中，在700-750℃下維持時間至少20min，優(yōu)選20-40分鐘。

在步驟3中，在完成制備后，保持惰性氣體的流通，自然冷卻至室溫20—25攝氏度。