锑掺杂立方相ITO水热制备研究.pdf
锑掺杂立方相 ITO 水热制备研究 ① 苏玉长, 刘斯东, 汤洪波, 母仕佳, 张翔宇 (中南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410083) 摘 要 以铟锭、SnCl45H2O、SbCl3和尿素为主要原料,按 In2O3∶ SnO2∶ Sb2O3的质量比为 95 ∶5 ∶0、93 ∶5 ∶2、90 ∶5 ∶5制备前驱体,使 用水热法制备锑掺杂 In(OH)3纳米粉末,然后马弗炉中煅烧得到锑掺杂 ITO。 利用 X 射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、 热重⁃差热(TG/ DSC)、红外光谱和分光光度计等手段分析研究不同制备条件对产物的影响。 结果表明温度是水热反应的决定性 因素,水热温度为 160 ℃时制备的水热产物为立方纯相;尿素用量与阳离子浓度对水热结果的影响不明显;添加适量分散剂 PVP 可 以减少团聚,得到均匀分散的产物;锑的掺杂使 ITO 对红外线的阻隔波段有所变化。 关键词 ITO; 掺杂; 水热法合成 中图分类号 TG146文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.05.030 文章编号 0253-6099(2014)05-0123-05 Study on Hydrothermal Preparation of Antimony⁃doped Cubic ITO SU Yu⁃chang, LIU Si⁃dong, TANG Hong⁃bo, MU Shi⁃jia, ZHANG Xiang⁃yu (School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China) Abstract Using indium ingot, SnCl45H2O, SbCl3and urea as raw materials, precursors were synthesized with the mass ratio of In2O3∶ SnO2∶ Sb2O3as 95 ∶5 ∶ 0, 93 ∶5 ∶2 and 90 ∶5 ∶5, respectively, and antimony⁃doped In(OH)3 nanopowders were prepared by a hydrothermal process. Then, In(OH)3was transferred into antimony⁃doped ITO after calcination in a muffle furnace. The effects of synthesizing parameters on product properties were investigated by XRD, TEM, FTIR, TG⁃DSC and spectrophotometry. The results show that, the hydrothermal temperature is the decisive factor and powders of pure cubic phase can be synthesized at 160 ℃. However, the urea dosage and cation concentration haven′ t significant influence on hydrothermal products. Aggregation level can be reduced and products with homogeneously dispersed particles can be obtained in the presence of an appropriate amount of dispersant PVP. Compared with ITO, there is a variation on the infrared barrier bands of antimony⁃doped ITO. Key words ITO; doping; hydrothermal synthesis 随着科技与社会的发展,能源环境越来越成为全 社会关注的问题。 建筑隔热绝热保温是节约能源、提 高建筑物使用功能的一个重要方面。 氧化铟锡 ITO 在 紫外区具有强烈的吸收,在可见光区具有较高的透过 率,而在近红外区则有高透射率,是制备透明隔热玻璃 的理想材料[1-2]。 通过掺杂杂质元素,可改变纳米材 料的化学计量式以及晶体微观结构,从而改变性 能[3]。 Choisnet 等人[4]用氧化物混合后高温煅烧直接 制备锡锑掺杂的氧化铟,改进了光电性能。 Jang⁃Woo Park 等人[5]用共沉淀的方法制备锡锑掺杂的氧化铟, 声称能扩大材料对近红外阻隔的范围。 本文拟研究锑 掺杂 ITO 的水热制备。 氧化铟的水热制备法通常是利用水热反应获取氢 氧化铟,再利用煅烧使氢氧化物转化为氧化物。 本文 以水作为溶剂,尿素为沉淀剂,一步水热直接制备掺杂 的立方相纳米氢氧化物颗粒。 为防止锑水解需要加入 大量酸,使得水热试验不同于水热制备氧化铟或 ITO 的情况。 1 实 验 1.1 原 料 试验所用铟锭为湖南稀土技术开发有限公司提 供,纯度为 99.999%;五水氯化锡、氯化锑和尿素,分析 纯,西陇化工股份有限公司出品;盐酸,分析纯,含量 ①收稿日期 2014-04-22 作者简介 苏玉长(1964-),男,湖南冷水江人,教授,博士,主要研究方向为微纳米功能氧化物和稀土硼化物的研究、开发及其理论计算。 第 34 卷第 5 期 2014 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №5 October 2014 36%~38%,湖南省株洲市化学工业研究所出品。 去离 子水为实验室自制。 1.2 样品制备 将铟锭剪碎后置于适量 1 ∶1盐酸中,加热至微沸 后保持温度,使金属铟溶解在盐酸中得到氯化铟溶液。 在磁力搅拌下将定量氯化铟、适量盐酸(防止氯化锑 水解)、五水氯化锡、氯化锑和尿素加入蒸馏水中,混 合得到均匀清亮的液体后加入80 mL 聚四氟乙烯反应 釜内衬中,填充率为 80%,在设定温度下水热反应 18 h 后,自然冷却至室温,取出反应产物后采用离心机进 行固液分离,用蒸馏水和酒精分别洗涤数次后,在 60 ℃下烘干得到氢氧化物前驱体。 前驱体在马弗炉中煅 烧得到最终产物。 1.3 材料表征 采用日本理学的D/ max 2500 型X 射线衍射仪对试 样进行物相分析。 采用日本电子的 JEM-2100F 型场发 射高分辨透射电镜对试样进行组织形貌分析。 采用美 国 Thermo Scientific 公司的 NICOLET 6700 型傅里叶变 换红外光谱仪(KBr 压片)对试样进行红外光谱分析。 采用日本理学的 TAS100 型综合热分析仪对试样进行热 重差热分析。 采用美国 PE 公司的 LAMBDA750 型紫外 可见近红外分光光度计对试样进行透过率分析。 2 实验结果及讨论 2.1 水热条件的影响 水热反应的影响条件很多,本文选择水热温度、尿 素用量和阳离子浓度 3 个条件作为研究对象,铟锡锑 比例均按氧化物质量比 90∶5∶5。 2.1.1 温度对水热的影响 图 1 为不同温度下水热产 物 XRD 图谱。 由图 1 可以明显看出,所有 XRD 图谱均 有明显的 In(OH)3衍射峰,与立方晶系的 In(OH)3 (JCPDS 卡85-1338)标准衍射峰的位置与强度均能吻 合,可见所有温度下的水热反应均能形成大量 In(OH)3 相。 且所有 XRD 图谱中均没有发现氢氧化锡与氢氧化 锑的衍射峰,可见锡锑元素已经以取代铟的方式掺杂进 了 In(OH)3晶格中。 高温(180 ℃和 200 ℃)下的水热 产物 XRD 图谱在 25.83、33.6处均出现了少量与正交 晶系的 InOOH(JCPDS 卡17-0549)的(110)和(011)晶 面符合的衍射峰。 通过XRD 图谱定量计算,180 ℃样和 200 ℃样中 In(OH)3和 InOOH 的质量比分别为 92 ∶ 8 和 91 ∶ 9,均是只有少量的 InOOH 产生。 中温(160 ℃)为最理想的水热温度,此温度下的水热产物只有 立方晶系的 In(OH)3(JCPDS 卡85-1338)的衍射峰, 没有其他杂相衍射峰存在。 低温(110 ℃和 140 ℃)下 的水热产物的 In(OH)3衍射峰则都相对较弱,且出现 了大量非In(OH)3的衍射峰。 低温的两个温度的杂相 衍射峰均呈现同样的位置和强弱比例,均在 25左右 出现最强峰,33.65左右出现次强峰,可以判定这是同 一种结构的杂相,有研究者[6]认为这是一种分子式为 Sn6O4(OH)4的锡盐(JCPDS 卡84-2157),经仔细比 对,本文认为该相衍射峰与锡盐的标准谱线不能完美 吻合,此杂相未能在 PDF 卡片库中搜到对应的物质, 可能为其他物质。 通过改变水热条件,试图制备出该 杂相的尝试均告失败,通过查阅文献[7],该杂相应该 是 InCl3转化为 In(OH)3过程的一种中间产物,如 In5(OH)14Cl,是组成不同的含氢氧根的碱式盐,这也 解释了为什么难以直接制备出该物相的纯相。 图 1 不同温度水热后产物 XRD 图谱 (a) 110 ℃; (b) 140 ℃; (c) 160 ℃; (d) 180 ℃; (e) 200 ℃ 文献[8]中有羟铟石 In(OH)3的标准红外光谱, 特征峰为 3 240、3 120、1 155、1 064、850、780、500、385 和 353 cm -1 。 图 2 为不同温度下水热产物的红外光谱 图,可以看出 3 个温度下的水热产物红外光谱都能找 到明显和 In(OH)3相对应的特征峰,峰位置与峰强均 能与标准谱线上的峰较好地吻合,再次证明 3 个温度 下的水热反应均产生了 In(OH)3。 其中 110 ℃产物的 特征峰虽然大体上能与标准特征峰保持一致,但特征 峰相对较弱,部分特征峰如 3 240、3 120、1 064 和 850 cm -1 等处峰形不突出。 可见 110 ℃下的氢氧化物形成 不能完整进行,氯化物向氢氧化物的转变不够彻底。 而 160 ℃和 200 ℃的特征峰峰形完整,与标准特征峰 可以完美符合,可见水热反应得到的产物以In(OH)3 图 2 不同温度下水热产物红外光谱 421矿 冶 工 程第 34 卷 为主,200 ℃与 160 ℃的红外光谱几乎一致,没有明显 的不同,可见高温水热下产生的 InOOH 杂质只是少 数,主要产物仍为 In(OH)3。 综上所述,水热反应的最佳温度为 160 ℃,该温度 既能满足反应所需的能量,又不会产生其他杂相。 温 度过高时,反应会有产生 InOOH 的趋势,产物存在少 量 InOOH 杂相而影响物相纯度。 温度过低时,不能满 足反应所需能量,反应不完全,产物中存在大量转化不 完全产物碱式盐。 2.1.2 尿素用量对水热反应的影响 试验中,由于添 加了大量盐酸来防止氯化锑水解,反应中添加的尿素 比较多,文中提到的几倍尿素均为考虑了中和多余酸 后的反应理论需要尿素量的倍数。 图 3 为不同尿素用量下 160 ℃ 水热产物的 XRD 图谱,由图可见,不同尿素用量下的产物均为纯相 In(OH)3(JCPDS 卡85-1338),没有其他杂相的存 在。 通过 jade 软件计算,10 倍尿素的微晶尺寸稍小于 1 倍和 5 倍的值。 通过比较图 4 中不同尿素用量水热 产物的电镜照片,没有发现明显的差别,可见水热反应 对尿素用量的变化不敏感。 图 3 不同尿素用量水热产物的 XRD 图谱 图 4 不同尿素用量水热产物电镜照片 (a) 1 倍; (b) 5 倍; (c) 10 倍 2.1.3 阳离子浓度对水热反应的影响 10 倍尿素、 160 ℃时不同起始阳离子浓度的水热产物 XRD 图谱 见图 5。 由图 5 可见,产物中均为 In(OH)3(JCPDS 卡85-1338)纯相,无其他杂相。 由 jade 计算得到的 微晶尺寸,0.14 mol/ L 的更小。 由电镜照片(见图 6) 可知,二者的形貌同样没有明显的差别。 可见阳离子 浓度对水热反应的影响同样较小。 图 5 不同阳离子浓度水热产物 XRD 图谱 图 6 不同阳离子浓度水热产物电镜照片 (a) 0.07 mol/ L;(b) 0.14 mol/ L 2.2 PVP 的添加 鉴于水热产物存在团聚且有部分颗粒生长不均匀, 加入适量 PVP 作为分散剂,以 0.14 mol/ L 阳离子浓度、 10 倍尿素、160 ℃下水热反应。 图7 为添加PVP 与不添 加 PVP 的水热产物 XRD 对比,由图可以看出,无论是 否添加 PVP,水热反应的产物均为 In(OH)3(JCPDS 卡 85-1338),没有相的变化,也没有杂相产生。 图 7 水热产物 XRD 图谱 (a) 不加 PVP; (b) 加 PVP 521第 5 期苏玉长等 锑掺杂立方相 ITO 水热制备研究 图 8 比较了添加与不添加 PVP 的水热产物的红外 光谱,谱线几乎完全一致,特征峰的位置与强度均无差 别。 可见 PVP 的添加对水热产物的物相无影响。 而产 物电镜照片(见图 9)则可明显说明添加 PVP 可以减少 团聚,抑制颗粒的长大,从而获得均匀分散的产物。 图 8 水热产物红外光谱 图 9 水热产物电镜照片 (a) 添加 PVP; (b) 不添加 PVP 2.3 水热产物的煅烧 水热反应得到的产物是氢氧化物,为了得到氧化 物,同时去除水热产物中残余的 PVP,需要进行煅烧。 为了探究煅烧工艺,对 0.14 mol/ L 阳离子浓度、10 倍 尿素、160 ℃下加 PVP 的水热产物进行了热重差热测 试,结果如图 10 所示。 图 10 水热产物热重差热曲线 根据过去的研究报道[9],立方相氢氧化铟向氧化 铟的转变在 300 ℃左右即可完成,但由于水热反应中 添加的 PVP 在水热产物中会有部分残余,所以需要考 虑残余 PVP 的烧除。 由图10 可以看出,600 ℃为理想 的煅烧温度,该温度下可以保证物相完全转变且 PVP 去除干净。 图 11 和图 12 分别为水热产物 600 ℃煅烧 前后的 XRD 图谱和电镜照片,由图可以明显看出,通 过 600 ℃煅烧,水热产物的氢氧化物全部转化为氧化 物,且保持了相同的形貌和颗粒大小。 图 11 水热产物煅烧前后 XRD 图谱 (a) 煅烧前; (b) 煅烧后 图 12 水热产物煅烧前后透射电镜照片 (a) 煅烧前; (b) 煅烧后 2.4 氧化物的光学性能 按 In2O3∶SnO2∶Sb2O3的质量比为 95 ∶5 ∶0、93 ∶5 ∶ 2、90∶5∶5的比例配比反应物,0.14 mol/ L 阳离子浓度、 10 倍尿素、160 ℃下加 PVP 进行水热反应,600℃煅烧 得到的氧化物,研磨后添加到酒精中,通过磁力搅拌和 超声分散后,用分光光度计直接测量液体的透过率,结 果如图 13 所示。 图 13 不同掺杂比氧化物的透过率曲线 (a) mIn2O3∶mSnO2∶mSb2O3=90∶5∶5;(b) mIn2O3∶mSnO2∶mSb2O3= 95 ∶5 ∶0; (c) mIn2O3∶mSnO2∶mSb2O3=93∶5∶2 621矿 冶 工 程第 34 卷 结果表明,使用不同的锑掺杂量,可以使材料对红外阻 隔的波段发生变化,综合使用不同的掺杂比,可以扩宽 ITO 对红外阻隔波段的范围。 3 结 论 1) 温度是水热反应的决定性因素,尿素用量与阳 离子浓度对水热反应的影响不明显,添加适量分散剂 PVP 可以减少团聚。 水热反应的最佳条件是 0.14 mol/ L 阳离子浓度、10 倍尿素、160 ℃ 水热温度、加适 量 PVP,此时得到的是均匀分散的立方相氢氧化铟。 2) 600 ℃ 煅烧可以完成物相转变以及分散剂 去除。 3) 与 ITO 相比,锑的掺杂使氧化物对红外线的阻 隔区域有所变化。 使用不同的掺杂比,可以扩宽 ITO 对红外阻隔波段的范围。 参考文献 [1] 许美君. 中国建筑镀膜玻璃的生产发展与市场[J]. 建材发展导 向,2006(2)17-22. 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