水熱法合成枝蔓狀CdS納米晶

張?；ā钌徏t　葉　超

（昌吉學(xué)院物理系　新疆　昌吉　831100）

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水熱法合成枝蔓狀CdS納米晶

張?；钌徏t葉超

（昌吉學(xué)院物理系新疆昌吉831100）

摘要：采用傳統(tǒng)的水熱法，以氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）和硫脲（H2NCSH2N）為前驅(qū)物，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件合成了枝蔓狀CdS納米晶。采用X-射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）表征了產(chǎn)物的物相和形貌。結(jié)果表明：合成的產(chǎn)物均為六方相CdS結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)物的形貌隨前驅(qū)物濃度、反應(yīng)時(shí)間的改變而改變，在反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下產(chǎn)物均為枝蔓狀。

關(guān)鍵詞：水熱法；CdS；枝蔓

0引言

隨著光電子器件及太陽(yáng)能薄膜電池的不斷發(fā)展，Ⅱ—Ⅳ族化合物CdS越來(lái)越受到關(guān)注，其主要原因是它具有與太陽(yáng)光相比配的能帶（2.42eV），可作為太陽(yáng)能電池的窗口材料。

并且，采用新興的納米技術(shù)將CdS納米化以后，能賦予這種功能材料既有別于體相材料又不同于單個(gè)分子的特殊性質(zhì)，從而使CdS納米晶在光、電、磁、催化等方面有巨大的應(yīng)用潛能（如，發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池、傳感器、光催化等領(lǐng)域），因而引起了人們的高度重視［1-6］。同時(shí)，CdS納米材料在光敏電阻、薄膜晶體管及鈣鈦礦太陽(yáng)能等器件中也受到廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，研究者采用了水熱法在不同條件下制備出不同形貌及結(jié)構(gòu)的CdS納米材料［7］，如球狀、六方片狀、棒狀、花狀等，但是枝蔓狀CdS納米晶報(bào)道的并不多見，因?yàn)檫@種復(fù)雜形貌一般需要修飾劑或配位劑輔助合成［8］。本文結(jié)合小組前期工作，采用水熱法以氯化鎘（CdCl·2.5H2O）作為鎘源、硫脲（H2NCS H2N）作為硫源，借助硫脲的配位性能合成了枝蔓狀CdS納米晶；摸索了反應(yīng)條件（前驅(qū)物摩爾比、反應(yīng)時(shí)間）對(duì)產(chǎn)物相及形貌的影響，為后期合成形貌可控的CdS納米晶提供一定的理論指導(dǎo)。

1　實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用試劑氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）、硫脲（H2NCSH2N）、無(wú)水乙醇（CH3CH2OH）均為分析純（A.R）試劑，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。首先稱取一定量的氯化鎘和硫脲置于容量為50ml的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，加入一定量的去離子水至反應(yīng)釜容量的80%，磁力攪拌10min后使前驅(qū)物充分溶解。將反應(yīng)釜密封后放入恒溫干燥箱內(nèi)在一定溫度下反應(yīng)一段時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)釜并自然冷卻至室溫。將合成的產(chǎn)物分別用去離子水、無(wú)水乙醇反復(fù)抽濾清洗，最終得到黃色固體產(chǎn)物，在60℃下干燥4h后制得樣品。

利用日本Mac Science 18kw轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀上收集產(chǎn)物的XRD圖譜（石墨單色器，CuKα輻射，40KV，200mA，步進(jìn)掃描速率0.02°/s）；利用Philips XL-30掃描電子顯微鏡（SEM）觀察產(chǎn)物的表面形貌。

2　結(jié)果與討論

2.1產(chǎn)物的XRD表征分析

圖1　以水為溶劑，前驅(qū)物摩爾比為1：1時(shí)在180℃下反應(yīng)10h產(chǎn)物的XRD圖譜

圖1是以水為溶劑，氯化鎘和硫脲摩爾比為1：1時(shí)在180℃下反應(yīng)10h后合成產(chǎn)物的XRD圖譜。從圖譜上可以清晰地看出產(chǎn)物各晶面衍射峰所處的位置分別在2θ=24.86°、26.46°、28.26°、36.76°、43.78°、47.82°和51.82°，分別對(duì)應(yīng)著（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）和（112）衍射晶面，與六方相結(jié)構(gòu)CdS的ICDD PDF No.41—1049相一致，并且在圖譜中沒(méi)有觀察到CdO、Cd等的雜質(zhì)峰，說(shuō)明合成產(chǎn)物的純度較高。同時(shí)觀察到（002）晶面衍射峰的強(qiáng)度相對(duì)于（100）和（101）晶面衍射峰較強(qiáng)，說(shuō)明產(chǎn)物具有一定的擇優(yōu)生長(zhǎng)［9-10］，并且在其他條件下合成產(chǎn)物的XRD圖譜均與圖1圖譜相一致。

2.2產(chǎn)物的SEM表征分析

圖2　以水為溶劑，在180℃下反應(yīng)12h，前驅(qū)物摩爾比為1∶0.4（a）、1∶0.6（b）、1∶0.8（c）、1∶1 （d）、1∶1.2（e）、1∶1.4（f），合成產(chǎn)物的SEM圖像

圖2是以水為溶劑，在180℃下反應(yīng)12h后合成產(chǎn)物的SEM圖像，氯化鎘和硫脲摩爾比分別為：1：0.4（a）、1：0.6（b）、1：0.8（c）、1：1（d）、1：1.2（e）和1：1.4（f）。從圖2（a）中可以看出，產(chǎn)物為枝蔓結(jié)構(gòu)，并且每個(gè)枝蔓結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物長(zhǎng)度不均一，枝蔓結(jié)構(gòu)（一級(jí)枝蔓）沿著莖邊緣生長(zhǎng)出梳狀小枝（二級(jí)枝蔓），長(zhǎng)度也不均一，并且小枝之間存在粘連；隨著硫脲量的不斷增加（圖2（b、c）），一級(jí)枝蔓分開為較多個(gè)二級(jí)枝蔓，一級(jí)枝蔓沿單一方向生長(zhǎng)，二級(jí)枝蔓生長(zhǎng)不均一，二級(jí)枝蔓明顯變細(xì)，梳狀間隙顯現(xiàn)；前驅(qū)物摩爾比不斷增加至1：1時(shí)（圖2（d）），產(chǎn)物枝蔓狀晶體分散較好，結(jié)晶更加完善，6個(gè)一級(jí)枝蔓間存在連接點(diǎn)，呈雪花結(jié)構(gòu)，每?jī)蓚€(gè)一級(jí)枝蔓間夾角約為60°，二級(jí)枝蔓間隙增大；隨著硫脲量增至1.2以上（圖2（e、f），雪花狀結(jié)構(gòu)在結(jié)點(diǎn)處斷裂，分解為長(zhǎng)度均一的一級(jí)枝蔓結(jié)構(gòu)，平均長(zhǎng)度約為5—7μm。從以上分析可知：采用不同摩爾比的前驅(qū)物合成產(chǎn)物在形貌上差別不明顯，均能合成枝蔓狀的CdS納米晶，在前驅(qū)物摩爾比為1：1時(shí)枝蔓結(jié)構(gòu)的形貌均一性較好。所以，在后期實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇前驅(qū)物配比為1：1。

圖3　以水為溶劑，前驅(qū)物摩爾比為1∶1時(shí)在180℃下反應(yīng)6h（a）、8h（b）、10h（c）和12h（d）下產(chǎn)物的SEM圖像

圖3是以水為溶劑，氯化鎘和硫脲摩爾比為1：1時(shí)在180℃下反應(yīng)6h（a）、8h（b）、10h（c）和12h （d）下產(chǎn)物的SEM圖像。從圖3（a）中可以看出，產(chǎn)物的形貌為顆粒狀，粒徑約為100nm—200nm，顆粒之間出現(xiàn)明顯粘連，存在大量的團(tuán)聚，呈島狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到8h（圖3（b）），團(tuán)聚的CdS顆粒存在沿一維生長(zhǎng)的趨勢(shì)，部分產(chǎn)物的形貌初顯枝蔓狀，長(zhǎng)度約為2μm—5μm，生長(zhǎng)不均一，同時(shí)仍存在大量的顆粒團(tuán)聚；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)到10h時(shí)（圖3（c）），產(chǎn)物均為枝蔓結(jié)構(gòu)，一級(jí)枝蔓長(zhǎng)度約為3μm—5μm，二級(jí)枝蔓長(zhǎng)度約為0.2μm—0.7μm，并且部分一級(jí)枝蔓間存在結(jié)合點(diǎn)；進(jìn)一步延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間到12h（圖3（d）），6個(gè)一級(jí)枝蔓（平均長(zhǎng)度約為4μm—5μm）結(jié)合成一個(gè)雪花狀晶體，并且二級(jí)枝蔓結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的較為分離呈梳狀（長(zhǎng)度不均一），間隙明顯增大，與圖2（d）圖像相一致。從以上分析可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，晶體生長(zhǎng)更加完善，團(tuán)聚明顯變少，枝蔓結(jié)構(gòu)更加分散，二級(jí)枝蔓結(jié)構(gòu)間隙明顯增大?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有助于CdS枝蔓結(jié)構(gòu)的結(jié)晶生長(zhǎng)。

3　結(jié)論

本文以CdCl2·2.5H2O和硫脲（H2NCSH2N）為反應(yīng)前驅(qū)物，采用傳統(tǒng)的水熱法在不同的前驅(qū)物配比下180℃反應(yīng)一段時(shí)間合成了枝蔓結(jié)構(gòu)的CdS納米晶。研究表明：在不同的硫脲濃度下，均能合成結(jié)晶良好的枝蔓結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，隨著硫脲量的增加，產(chǎn)物的枝蔓結(jié)構(gòu)結(jié)晶更加良好，枝蔓結(jié)構(gòu)更加均一；隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，由大量的團(tuán)聚的CdS納米顆粒生長(zhǎng)為枝蔓結(jié)構(gòu)的CdS晶體，可見延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有助于CdS枝蔓結(jié)構(gòu)的結(jié)晶生長(zhǎng)。

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中圖分類號(hào)：O731

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-6469（2016）03-0100-03

收稿日期：2016-03-20

基金項(xiàng)目：新疆大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“硫酸化合物薄膜太陽(yáng)能電池材料的制備及性能研究”（201510997012）；昌吉學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目“硫?qū)倩衔锞A生長(zhǎng)控制研究（2014YJYB006）；昌吉學(xué)院博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目“薄膜太陽(yáng)能電池功能層材料的制備及光電性能研究”（2015BSQD001）。

第一作者簡(jiǎn)介：張保花（1981-），女，河南南陽(yáng)人，昌吉學(xué)院物理系副教授，研究方向：納米材料的合成與表征分析。