利用放热反应制备纳米SnO₂材料的方法

专利名称：利用放热反应制备纳米SnO₂材料的方法
技术领域：
本发明属于功能材料制备领域，尤其涉及一种利用放热反应制备纳米Sn02材料的方法。
背景技术：
近十几年来，随着电子科学技术的高速发展，各种电子器件日趋细微化。同时，为了对空气中所包含的各种各样的化学物质进行有效的检测与控制，气敏半导体检测是经济实惠、快速有效的一种方法。目前，国内外研究和应用的气敏材料主要有Fe203、 ZnO、 ZnS、Sn02、 Ti02、 W03等，其中以Sn02为主。Sn02是一种用途广泛的半导体传感器材料，用它制备的气敏传感器具有灵敏度高、工作温度低的特点，被广泛用于各种可燃气体、工业废气、环境污染气体以及其他各种有害气体的检测和预报。此外，Sn02具有特定的导电性和反射红外线辐射的特性，对可见光具有良好的通透性，在水溶液中具有优良的化学稳定性，其在压电电阻、光电子装置、液晶显示、太阳能电池、透明导电电极、防红外探测保护等领域也有广泛的用途。以Sn02为基制备的湿敏传感器，在改善室内环境、物资储藏、精密仪器设备机房以及图书馆、美术馆、博物馆等场所亦有广泛的用途。
目前，制备纳米Sn02材料有很多方法，常用的方法有室温固相化学法，沉淀法，水热合成法，溶胶一凝胶法等。但这几种方法都有自己的缺点室温固相化学法对反应速度还无法较好地控制；沉淀法得到的产物纯度较低，粒径较大；水热合成法实验条件较为复杂，需在高压反应釜中进行；中国专利CN19356666A公开了一种溶胶-凝胶法制备二氧化锡纳米材料的方法，该方法将磷钼酸与氢氧化锡粉末混合均匀，加入无水乙醇调成浆状，65-80'C下恒温4一10小时，干燥2 — 6h，再用马弗炉煅烧得到改性的纳米二氧化锡材料；但是该方法需使用磷钼酸改性，工艺复杂，并且需使用大量乙醇，提高了制备成本不利于工业化生产。中国专利CN101298338A公开了一种二氧化锡纳米棒的电子束辐照合成方法，该方法可在常温常压下不使用任何催化剂就能制造二氧化锡纳米材料，然而，该方法对设备要求高，同时，需要消耗大量的电能，不利于工业化推广。
放热反应是化学领域常见的反应，但是将其用于制备纳米材料还没有相关报道。

发明内容
本发明的目的就是为了克服现有方法制备纳米Sn02材料的不足之处，提供了一种基于
3放热反应的制备纳米Sri02材料的方法，使制备的纳米Sn02材料不仅纯度较高、粒径分布均匀，而且分散性好且无或轻团聚。
实现本发明的技术方案是 一种利用放热反应制备纳米Sn02材料的方法，其特征在于，
包括如下步骤
(1) 将质量分数比例分别为Al粉10-35%， Cu20 30-55%， Fe203 16-36%, Mn022-15%, Sn025-12%， CaO0-2%， CaF2 1-3%的药粉混合均匀，然后将混合药粉装入反应装置中；
(2) 用镁条点燃引火粉进而引燃该反应药粉；
(3) 利用点火前已放置在反应装置上方的收集装置收集纳米Sn02材料；上述混合药粉的粒径是50-200目；
上述反应装置是自带通孔的石墨容器；
上述收集装置的外部是用耐热钢制备的外壳，外壳的内部是由耐热钢制备的网格组成，并且其包括上模和下模两部分，下模设有小孔，插孔用于插入镁条。
本发明的有益效果是该发明装置简单、实验条件温和且其成本低、工艺简单，不需要催化剂，生成物纯度较高、粒径分布均匀、分散性好且无或轻团聚的纳米Sn02材料。


下面结合附图对该发明进一步说明。图1是本发明产物的X射线衍射图。图2是本发明产物的扫描电子显微镜图。图3是制备纳米Sn02材料的仪器装配剖面图。图4是纳米Sn02材料收集装置下模俯视图。其中，l-上模、2-下模、3-插孔、4-反应装置。
具体实施例方式
本发明是基于放热反应来制备纳米Sn02。反应装置是自带通孔的石墨容器，在放热反应的过程中，利用金属化合物化学反应热作为热源从而制备纳米Sn02材料。本发明通过如下方式实现
将A1粉、Cu20、 Fe203、 Mn02、 Sn02、 CaO、 CaF2按照一定比例混合均匀制备反应的药粉，用镁条和引火粉引燃该化学反应，其中引火粉组成为2g高锰酸钾和lg硫粉。在该反应过程中，Al作为还原剂和Qi20、 Fe203、 Mn02等氧化物粉末进行反应且少量的Sn02也参与了反应。
2Al+3Cu20=Al203+6Cu2Al+Fe203=Al203+2Fe4Al+3Mn02=2Al203+3Mn
这些反应均为放热反应。混合粉末被引燃之后迅速发生氧化还原反应，在反应过程中释放大量的热量，使反应的生成物Cu、 Fe、 Mn熔化，得到过热的混合金属液，在反应生成渣Al20rCaO-CaF2的保护下，液态金属温度可达到2000口以上，而二氧化锡在1800 1卯0口升华。二氧化锡在上升过程中快速冷却凝固生成颗粒状，落在不锈钢网格的基体上，成为下一步晶体生长的晶核。在反应过程中形成的二氧化锡分子团簇在颗粒表面异质形核并且逐渐生长成为所需要的纳米Sn02材料。反应过程中，没有催化剂的存在，提供了一种新的纳米材料制备的方法。
纳米二氧化锡材料具体制备方法是:按照设定好的比例称取一定量50-200目的的Al粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO和CaF2，并且用搅拌机将这些药粉混合均匀。用氧一乙炔火焰将由石墨制成的放热反应模具烘干，去除模具中的水蒸气；移除氧一乙炔火焰，将混合均匀的药粉装入反应模具中，且将反应药粉压实，以加剧该反应的进行。在压实的药粉上面，均匀撒一些引火粉，然后将去除氧化皮的Mg条插在引火粉上作为导火索，引燃Mg条，该反应就进行。在引燃镁条前，在反应模具的上方安装收集装置，并且反应模具包括上模1和下模2两部分，下模设有插孔3，插孔用于插入镁条，其组装如图3、 4所示。反应结束后就可以得到所需要的纳米Sn02材料。
本发明所制得的纳米Sn02材料的特征可用以下方法测试-
1 X射线衍射。本材料是纳米Sn02材料，在X射线衍射谱中会给出二氧化锡的特征衍射峰，以此来判断纳米二氧化锡是否生成。
2扫描电子显微镜。通过扫描电子显微镜可以清楚的看到纳米二氧化锡的形貌特征，而且可以粗略估算其直径的大小。
具体实施例
下面结合实施例对本发明进一步说明，以下实施例的说明将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。实施例1
首先将A1粉，Cu20, Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七种物质按照质量分数比例为
13: 55: 16: 2: 12: 0.5: 1.5称取且用搅拌机将它们均匀混合。用氧-乙炔火焰除去放热反应模具中的水分，然后就可以将均匀混合的药粉倒入除去水分的放热反应模具中且将药粉压实。在压实的药粉上面均匀撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg条，引燃Mg条前将纳米Sn02材料收集装置安装在放热反应模具上，其组装如图3所示，反应结束后就可得到纳米Sn02材料。
所得纳米Sri02材料的X射线衍射和扫描电子显微镜表征结果见图1和图2。由图1和图2可以看出图1的X射线衍射图中，最强衍射峰的晶面是(110)，根据Sn02的PDF卡片比对知其为Sn02，从X射线衍射的衍射峰位置可以看出，所得的纳米Sn02材料纯度很高，并且根据谢乐公式计算得其直径为53.70912nm;图2是该产物的扫描电子显微镜的图片，从图2可以看出本发明所得的纳米Sn02材料粒径分布均匀、分散性好且无或轻团聚的纳米Sn02材料，图2还进一步证实纳米Sn02产物生成且其直径约为50nm。
实施例2
首先将A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七种物质按照质量分数的比例
为20: 36: 22: 8: 12: 1: 1称取且用搅拌机将它们均匀混合。用氧-乙炔火焰除去放热反应模具中的水分，然后就可以将均匀混合的药粉倒入除去水分的放热焊接模具中且将药粉
压实。在压实的药粉上面均匀撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg条，引燃Mg条前将纳米Sn02材料收集装置安装在放热焊接反应模具上，其组装如图3所示，反应结束后就可得到纳米Sn02材料。该产品经X射线衍射和扫描电子显微镜表征证明纯度很高的纳米二氧化锡产物生成，其平均直径约为60nm。
实施例3
首先将A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七种物质按照质量分数的比例
为12: 50: 16: 9: 10: 0: 3称取且用搅拌机将它们均匀混合。用氧-乙炔火焰除去放热反
应模具中的水分，然后就可以将均匀混合的药粉倒入除去水分的放热焊接模具中且将药粉
压实。在压实的药粉上面均匀撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg条，引燃Mg条前将纳米Sn02材料收集装置安装在放热焊接反应模具上，其组装如图3所示，反应结束后就可得到纳米Sn02材料。该产品经X射线衍射和扫描电子显微镜表征证明纯度很高的纳米二氧化锡产物生成，其平均直径约为60nm。
实施例4
首先将A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七种物质按照质量分数的比
例为15: 30: 33: 15: 5: 1: 1称取且用搅拌机将它们均匀混合。用氧-乙炔火焰除去放热
反应模具中的水分，然后就可以将均匀混合的药粉倒入除去水分的放热焊接模具中且将药粉压实。在压实的药粉上面均匀撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg条，引燃Mg条前将纳米Sn02材料收集装置安装在放热焊接反应模具上，其组装如图3所示，反应结束后就可得到纳米Sn02材料。该产品经X射线衍射和扫描电子显微镜表征证明纯度很高的纳米二氧化锡产物生成，其平均直径约为55nrn。
实施例5
首先将A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO, CaF2七种物质按照质量分数的比
例为35: 30: 20: 2: 10: 2: 1称取且用搅拌机将它们均匀混合。用氧-乙炔火焰除去放热
反应模具中的水分，然后就可以将均匀混合的药粉倒入除去水分的放热焊接模具中且将药
粉压实。在压实的药粉上面均匀撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg条，引燃Mg条前将纳米Sn02材料收集装置安装在放热焊接反应模具上，其组装如图3所示，反应结束后就可得到纳米Sn02材料。该产品经X射线衍射和扫描电子显微镜表征证明纯度很高的纳米二氧化锡产物生成，其平均直径约为50nm。实施例6
首先将A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七种物质按照质量分数的比
例为10: 30: 36: 10: 9: 2: 3称取且用搅拌机将它们均匀混合。用氧-乙炔火焰除去放热
反应模具中的水分，然后就可以将均匀混合的药粉倒入除去水分的放热焊接模具中且将药
粉压实。在压实的药粉上面均匀撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg条，引燃Mg条前将纳米Sn02材料收集装置安装在放热焊接反应模具上，其组装如图3所示，反应结束后就可得到纳米Sn02材料。该产品经X射线衍射和扫描电子显微镜表征证明纯度很高的纳米二氧化锡产物生成，其平均直径约为55nm。
权利要求
1.一种利用放热反应制备纳米SnO2材料的方法，其特征在于，包括如下步骤(1) 将质量分数比例分别为Al粉10-35％，Cu2O 30-55％，Fe2O3 16-36％，MnO22-15％，SnO2 5-12％，CaO 0-2％，CaF2 1-3％的药粉混合均匀，然后将混合药粉装入反应装置(4)中；(2)用镁条点燃引火粉进而引燃该反应药粉；(3)利用点火前已放置在反应装置(4)上方的收集装置收集纳米SnO2材料。
2. 根据权利要求1所述的利用放热反应制备纳米Sn02材料的方法，其特征在于所述混合药粉的粒径是50-200目。
3. 根据权利要求1或2所述的利用放热反应制备纳米Sn02材料的方法，其特征在于所述反应装置是自带通孔的石墨容器。
4. 根据权利要求1或2所述的利用放热反应制备纳米Sn02材料的方法，其特征在于所述收集装置的外部是用耐热钢制备的外壳，外壳的内部是由耐热钢制备的网格组成，并且其包括上模(1)和下模(2)两部分，下模设有插孔(3)，插孔用于插入镁条。
全文摘要
本发明涉及一种利用放热反应制备纳米SnO₂材料的方法，该方法包括如下步骤首先，将质量分数比例分别为Al粉10-35％，Cu₂O 30-55％，Fe₂O₃ 16-36％，MnO₂ 2-15％，SnO₂ 5-12％，CaO 0-2％，CaF₂ 1-3％的药粉混合均匀，然后将混合药粉装入反应装置中；然后，用镁条点燃引火粉进而引燃该反应药粉；最后，利用点火前已放置在反应装置上方的收集装置收集纳米SnO₂材料。采用本发明制备纳米二氧化锡，工艺简单，周期短，成本低，所得SnO₂产品纯净，粒径均匀且产品的生成率较高，易于用于工业化生产中。
文档编号B82B3/00GK101671050SQ20091027228
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者任正元, 张国栋, 玲 李 申请人:武汉大学