納米二氧化錫的應(yīng)用研究進(jìn)展

段富良 王梅（云南錫業(yè)股份有限公司化工材料分公司）

引言

納米材料具有成本低、發(fā)光頻段變化范圍廣等特色，并且正向著新型、微型、多功能型、高效型等目標(biāo)前進(jìn)，并且逐漸滲透進(jìn)醫(yī)學(xué)、能源、生物技術(shù)、航天航空等領(lǐng)域，并占有重要的地位，為這些領(lǐng)域注入了新的活力和機(jī)遇，未來(lái)發(fā)展前景一片大好。

在眾多的納米材料中，納米二氧化錫獲得了更好的應(yīng)用。納米SnO2是一種四方類型晶體，具有金紅石結(jié)構(gòu)，有D144n[P42/mol]的空間群。每個(gè)單位晶胞由6個(gè)原子組成，4個(gè)氧原子，2個(gè)錫原子，任一錫原子位于6個(gè)氧原子構(gòu)成的類似八面體的中心位置，任一氧原子位于3個(gè)錫原子構(gòu)成的等邊三角形的中心位置。

一、納米二氧化錫的特性

納米二氧化錫具有很多特性，主要表現(xiàn)在光學(xué)和電學(xué)方面，并且在實(shí)際應(yīng)用中占有無(wú)可取代的位置，彌足輕重。只有對(duì)這些性質(zhì)充分了解和掌握，才能推動(dòng)各領(lǐng)域的改革發(fā)展。

1.光學(xué)特性

納米二氧化錫的光學(xué)特性是通過(guò)摻雜其它特性物質(zhì)構(gòu)成化合物來(lái)改變其原有特性，賦予新的特性。SnO2對(duì)可見(jiàn)光的通透性較好，即使在溶液中也有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)電性良好且能反射紅外線輻射。由于SnO2具有小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，使得其在光電熱磁等方面都有顯著的改變，經(jīng)常被制造成納米傳感器材料。其中較為成熟的技術(shù)應(yīng)用，主要有太陽(yáng)能電池、光電子裝置、防紅外探測(cè)保護(hù)、液晶顯示等。

2.電學(xué)特性

二氧化錫還是一種良好的透明的導(dǎo)電性材料。SnO2的電子結(jié)構(gòu)由Sn的5S2和5P2構(gòu)成導(dǎo)帶，O的2S2和2P4構(gòu)成了價(jià)帶，任何一個(gè)O原子的2P軌道接收Sn原子的兩個(gè)電子構(gòu)成穩(wěn)定的八面體。因?yàn)镾n原子的5S為寬帶，所以在此形成的SnO2導(dǎo)體為寬帶半導(dǎo)體。SnO2的禁帶寬度約為3.5到4電子伏特，當(dāng)其表現(xiàn)為導(dǎo)電膜時(shí)，主要通過(guò)晶體缺陷形成的載流子提供電量。且隨著溫度的變化其導(dǎo)電性也會(huì)發(fā)生變化，在實(shí)際應(yīng)用中通常是將其加熱到特性要求的溫度，然后制造成納米材料或者器件，具有很強(qiáng)的靈敏度，將其應(yīng)用到傳感器中效果非常明顯；還由于其具有較強(qiáng)的抗靜電性，逐漸被應(yīng)用到光電顯示設(shè)備制作和透明電極制作中，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。

二、二氧化錫的應(yīng)用

由于二氧化錫具有金屬氧化物類型的半導(dǎo)體材料特性，摻雜其它物質(zhì)處理改變其光學(xué)及電學(xué)特性，使其特性更加鮮明，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其三種不同的特性主要表現(xiàn)在氣體傳感器、化工催化和電池電極的應(yīng)用性研究。

1.氣體傳感器應(yīng)用

SnO2材料的氣敏元件通常具有結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、靈敏度較高、選擇特性良好、經(jīng)濟(jì)、使用周期長(zhǎng)等特征，在易燃易爆及有害氣體成分檢測(cè)中應(yīng)用頗為廣泛?，F(xiàn)在市場(chǎng)流通的氣體傳感器件中金屬氧化物類型約為總量的95%，SnO2氣敏傳感器尤為常見(jiàn)。基于SnO2，摻雜如氧化錳等金屬混合物，用來(lái)檢測(cè)環(huán)境中的氫氣、硫化氫、二氧化氮、一氧化碳、乙烷等的含量。

在二氧化錫材料中添加MoO3，當(dāng)其含量達(dá)到10%，操作溫度170℃時(shí)，薄膜對(duì)二氧化氮的反應(yīng)靈敏度提高，能達(dá)到原來(lái)的3.6倍。同時(shí)曾文等通過(guò)摻雜不同比例的二氧化鈦及少量銀離子制成甲醛氣敏元件。當(dāng)其工作溫度達(dá)360℃時(shí)對(duì)甲醛的反應(yīng)靈敏度能到達(dá)30。還用其它材料進(jìn)行比較，如Ni2+和Sb2+等，結(jié)果顯示摻雜金屬離子能提升器件的氣敏特性，Ag效果更為明顯。

衡量氣敏材料性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)是其對(duì)氣體的選擇性。多數(shù)研究證明摻雜In的SnO2的傳感器提高了其對(duì)甲烷的靈敏性，但卻降低了氫氣靈敏性。但是鉑摻雜卻能提高氫氣靈敏度，降低甲烷靈敏度。所以甲烷氫氣的混合氣體，能夠通過(guò)In金屬摻雜傳感器設(shè)備區(qū)分開(kāi)來(lái)。

2.化工催化應(yīng)用

在化學(xué)有機(jī)合成應(yīng)用中，轉(zhuǎn)化官能團(tuán)及擴(kuò)張環(huán)都有很重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。學(xué)者李靜霞等通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在多種形式的催化劑中尤其是復(fù)合金屬氧化物MgO和SnO2的催化活性性能最好。當(dāng)二者摩爾比達(dá)到7:3，焙燒溫度提高到600℃，環(huán)己酮轉(zhuǎn)化能達(dá)到90.5%,并且對(duì)己內(nèi)酯的選擇性為全部。這種物質(zhì)的催化劑活性明顯提高，好于其它類型催化劑，并且制備簡(jiǎn)單，在工業(yè)應(yīng)用中擁有很好的潛力。

固體超強(qiáng)酸的酸性強(qiáng)于純硫酸，是某些有機(jī)合成反應(yīng)中良好的催化劑，催化作用極強(qiáng)，污染小，且物質(zhì)分離簡(jiǎn)單。制備時(shí)，常在SnO2材料中添加稀土元素等多種方式提高超強(qiáng)酸性能，其中Sn等構(gòu)成的復(fù)合型酸的性能更為優(yōu)異，一直是研究的重中之重。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)稀土元素Ce及La都能提高甲基乙烯基酮的選擇特征。

3.電學(xué)性能應(yīng)用

SnO2是和ZnO相類似的n型半導(dǎo)體中的一種，其在壓力材料應(yīng)用中具有較好的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用范圍更加廣泛。但SnO2也有不足之處，在低溫環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的表面擴(kuò)散現(xiàn)象，且在高溫?zé)Y(jié)時(shí)SnO2還擁有較高的蒸汽分壓，造成SnO2陶瓷結(jié)構(gòu)內(nèi)部較為疏松，致密度降低。故常采用摻雜和制備來(lái)改善并提高SnO2壓敏電阻器件的致密度和非線性性能。

以前的經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明納米SnO2擾亂了鋰離子電池反應(yīng)的前后體積，導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)變形，性能不穩(wěn)定，降低電池循環(huán)利用性能及使用壽命。研究證明，摻雜物能改善其穩(wěn)定性，并且改變了SnO2的分子內(nèi)部機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能，能提高電池中的鋰離子的儲(chǔ)蓄能力，使得合金反應(yīng)循環(huán)性增強(qiáng)。

較為廣泛的應(yīng)用是摻雜氧化銅的納米SnO2材料，該材料的可逆容量達(dá)到每毫克752毫安，即使循環(huán)60多次后該其容量保持性能仍能保證原性能的93.6%，具有較高的穩(wěn)定性，因此摻雜氧化銅可以較有效地提升SnO2的循環(huán)性。

結(jié)論

在納米材料應(yīng)用中，SnO2占有很重要的位置，在科學(xué)、醫(yī)學(xué)、能源、生物技術(shù)、航天航空等領(lǐng)域都獲得了較為廣泛的應(yīng)用，隨著研究的深入，其應(yīng)用前景會(huì)越來(lái)越廣闊。納米SnO2摻雜一些物質(zhì)之后能顯著提升其光學(xué)性能及電學(xué)性能，隨著科技的進(jìn)步納米SnO2的更多特性將會(huì)被不斷地挖掘出來(lái)，具有更廣闊的應(yīng)用空間。

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