纳米二氧化锡的应用研究进展

2022-09-11

引言

纳米材料具有成本低、发光频段变化范围广等特色, 并且正向着新型、微型、多功能型、高效型等目标前进, 并且逐渐渗透进医学、能源、生物技术、航天航空等领域, 并占有重要的地位, 为这些领域注入了新的活力和机遇, 未来发展前景一片大好。

在众多的纳米材料中, 纳米二氧化锡获得了更好的应用。纳米Sn O2是一种四方类型晶体, 具有金红石结构, 有D144n[P42/mol]的空间群。每个单位晶胞由6个原子组成, 4个氧原子, 2个锡原子, 任一锡原子位于6个氧原子构成的类似八面体的中心位置, 任一氧原子位于3个锡原子构成的等边三角形的中心位置。

一、纳米二氧化锡的特性

纳米二氧化锡具有很多特性, 主要表现在光学和电学方面, 并且在实际应用中占有无可取代的位置, 弥足轻重。只有对这些性质充分了解和掌握, 才能推动各领域的改革发展。

1. 光学特性

纳米二氧化锡的光学特性是通过掺杂其它特性物质构成化合物来改变其原有特性, 赋予新的特性。Sn O2对可见光的通透性较好, 即使在溶液中也有很好的化学稳定性, 导电性良好且能反射红外线辐射。由于Sn O2具有小尺寸效应和表面效应, 使得其在光电热磁等方面都有显著的改变, 经常被制造成纳米传感器材料。其中较为成熟的技术应用, 主要有太阳能电池、光电子装置、防红外探测保护、液晶显示等。

2. 电学特性

二氧化锡还是一种良好的透明的导电性材料。Sn O2的电子结构由Sn的5S2和5P2构成导带, O的2S2和2P4构成了价带, 任何一个O原子的2P轨道接收Sn原子的两个电子构成稳定的八面体。因为Sn原子的5S为宽带, 所以在此形成的Sn O2导体为宽带半导体。Sn O2的禁带宽度约为3.5到4电子伏特, 当其表现为导电膜时, 主要通过晶体缺陷形成的载流子提供电量。且随着温度的变化其导电性也会发生变化, 在实际应用中通常是将其加热到特性要求的温度, 然后制造成纳米材料或者器件, 具有很强的灵敏度, 将其应用到传感器中效果非常明显;还由于其具有较强的抗静电性, 逐渐被应用到光电显示设备制作和透明电极制作中, 具有很强的实际应用意义。

二、二氧化锡的应用

由于二氧化锡具有金属氧化物类型的半导体材料特性, 掺杂其它物质处理改变其光学及电学特性, 使其特性更加鲜明, 在很多领域得到了广泛应用。其三种不同的特性主要表现在气体传感器、化工催化和电池电极的应用性研究。

1. 气体传感器应用

Sn O2材料的气敏元件通常具有结构比较简单、灵敏度较高、选择特性良好、经济、使用周期长等特征, 在易燃易爆及有害气体成分检测中应用颇为广泛。现在市场流通的气体传感器件中金属氧化物类型约为总量的95%, Sn O2气敏传感器尤为常见。基于Sn O2, 掺杂如氧化锰等金属混合物, 用来检测环境中的氢气、硫化氢、二氧化氮、一氧化碳、乙烷等的含量。

在二氧化锡材料中添加Mo O3, 当其含量达到10%, 操作温度170℃时, 薄膜对二氧化氮的反应灵敏度提高, 能达到原来的3.6倍。同时曾文等通过掺杂不同比例的二氧化钛及少量银离子制成甲醛气敏元件。当其工作温度达360℃时对甲醛的反应灵敏度能到达30。还用其它材料进行比较, 如Ni2+和Sb2+等, 结果显示掺杂金属离子能提升器件的气敏特性, Ag效果更为明显。

衡量气敏材料性能的一项重要指标是其对气体的选择性。多数研究证明掺杂In的Sn O2的传感器提高了其对甲烷的灵敏性, 但却降低了氢气灵敏性。但是铂掺杂却能提高氢气灵敏度, 降低甲烷灵敏度。所以甲烷氢气的混合气体, 能够通过In金属掺杂传感器设备区分开来。

2. 化工催化应用

在化学有机合成应用中, 转化官能团及扩张环都有很重要的实际意义和应用价值。学者李静霞等通过多次试验发现在多种形式的催化剂中尤其是复合金属氧化物Mg O和Sn O2的催化活性性能最好。当二者摩尔比达到7:3, 焙烧温度提高到600℃, 环己酮转化能达到90.5%, 并且对己内酯的选择性为全部。这种物质的催化剂活性明显提高, 好于其它类型催化剂, 并且制备简单, 在工业应用中拥有很好的潜力。

固体超强酸的酸性强于纯硫酸, 是某些有机合成反应中良好的催化剂, 催化作用极强, 污染小, 且物质分离简单。制备时, 常在Sn O2材料中添加稀土元素等多种方式提高超强酸性能, 其中Sn等构成的复合型酸的性能更为优异, 一直是研究的重中之重。经过研究发现稀土元素Ce及La都能提高甲基乙烯基酮的选择特征。

3. 电学性能应用

Sn O2是和Zn O相类似的n型半导体中的一种, 其在压力材料应用中具有较好的优势, 其应用范围更加广泛。但Sn O2也有不足之处, 在低温环境中会产生严重的表面扩散现象, 且在高温烧结时Sn O2还拥有较高的蒸汽分压, 造成Sn O2陶瓷结构内部较为疏松, 致密度降低。故常采用掺杂和制备来改善并提高Sn O2压敏电阻器件的致密度和非线性性能。

以前的经验说明纳米Sn O2扰乱了锂离子电池反应的前后体积, 导致电池结构变形, 性能不稳定, 降低电池循环利用性能及使用寿命。研究证明, 掺杂物能改善其稳定性, 并且改变了Sn O2的分子内部机构, 增强其结构稳定性能, 能提高电池中的锂离子的储蓄能力, 使得合金反应循环性增强。

较为广泛的应用是掺杂氧化铜的纳米Sn O2材料, 该材料的可逆容量达到每毫克752毫安, 即使循环60多次后该其容量保持性能仍能保证原性能的93.6%, 具有较高的稳定性, 因此掺杂氧化铜可以较有效地提升Sn O2的循环性。

结论

在纳米材料应用中, Sn O2占有很重要的位置, 在科学、医学、能源、生物技术、航天航空等领域都获得了较为广泛的应用, 随着研究的深入, 其应用前景会越来越广阔。纳米Sn O2掺杂一些物质之后能显著提升其光学性能及电学性能, 随着科技的进步纳米Sn O2的更多特性将会被不断地挖掘出来, 具有更广阔的应用空间。

摘要：纳米材料时代的到来受到了各个领域的青睐和重视, 随着研究的进一步深化和材料性质进一步地被挖掘, 使得其应用范围越来越广泛。纳米二氧化锡就是一种重要的纳米应用材料, 其在掺杂处理后能表现出独特的光学特性和电学特性, 使其在电子技术、医学、研究等领域中应用广泛, 具有很好的实际应用价值。

关键词：纳米二氧化锡,应用研究,进展