水熱法合成枝蔓狀CdS納米晶

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（昌吉學院物理系　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

（昌吉學院物理系新疆昌吉831100）

摘要：采用傳統的水熱法，以氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）和硫脲（H2NCSH2N）為前驅物，通過調節反應條件合成了枝蔓狀CdS納米晶。采用X-射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）表征了產物的物相和形貌。結果表明：合成的產物均為六方相CdS結構，并且產物的形貌隨前驅物濃度、反應時間的改變而改變，在反應時間較長的情況下產物均為枝蔓狀。

關鍵詞：水熱法；CdS；枝蔓

0引言

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

并且，采用新興的納米技術將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分子的特殊性質，從而使CdS納米晶在光、電、磁、催化等方面有巨大的應用潛能（如，發光二極管、太陽能電池、傳感器、光催化等領域），因而引起了人們的高度重視［1-6］。同時，CdS納米材料在光敏電阻、薄膜晶體管及鈣鈦礦太陽能等器件中也受到廣泛應用。

近年來，研究者采用了水熱法在不同條件下制備出不同形貌及結構的CdS納米材料［7］，如球狀、六方片狀、棒狀、花狀等，但是枝蔓狀CdS納米晶報道的并不多見，因為這種復雜形貌一般需要修飾劑或配位劑輔助合成［8］。本文結合小組前期工作，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；摸索了反應條件（前驅物摩爾比、反應時間）對產物相及形貌的影響，為后期合成形貌可控的CdS納米晶提供一定的理論指導。

1　實驗

實驗所用試劑氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）、硫脲（H2NCSH2N）、無水乙醇（CH3CH2OH）均為分析純（A.R）試劑，實驗用水為去離子水。首先稱取一定量的氯化鎘和硫脲置于容量為50ml的內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼反應釜中，加入一定量的去離子水至反應釜容量的80%，磁力攪拌10min后使前驅物充分溶解。將反應釜密封后放入恒溫干燥箱內在一定溫度下反應一段時間。反應結束后，取出反應釜并自然冷卻至室溫。將合成的產物分別用去離子水、無水乙醇反復抽濾清洗，最終得到黃色固體產物，在60℃下干燥4h后制得樣品。

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

2　結果與討論

2.1產物的XRD表征分析

圖1　以水為溶劑，前驅物摩爾比為1：1時在180℃下反應10h產物的XRD圖譜

圖1是以水為溶劑，氯化鎘和硫脲摩爾比為1：1時在180℃下反應10h后合成產物的XRD圖譜。從圖譜上可以清晰地看出產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°，分別對應著（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）和（112）衍射晶面，與六方相結構CdS的ICDD PDF No.41—1049相一致，并且在圖譜中沒有觀察到CdO、Cd等的雜質峰，說明合成產物的純度較高。同時觀察到（002）晶面衍射峰的強度相對于（100）和（101）晶面衍射峰較強，說明產物具有一定的擇優生長［9-10］，并且在其他條件下合成產物的XRD圖譜均與圖1圖譜相一致。

2.2產物的SEM表征分析

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

圖2是以水為溶劑，在180℃下反應12h后合成產物的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，產物為枝蔓結構，并且每個枝蔓結構的產物長度不均一，枝蔓結構（一級枝蔓）沿著莖邊緣生長出梳狀小枝（二級枝蔓），長度也不均一，并且小枝之間存在粘連；隨著硫脲量的不斷增加（圖2（b、c）），一級枝蔓分開為較多個二級枝蔓，一級枝蔓沿單一方向生長，二級枝蔓生長不均一，二級枝蔓明顯變細，梳狀間隙顯現；前驅物摩爾比不斷增加至1：1時（圖2（d）），產物枝蔓狀晶體分散較好，結晶更加完善，6個一級枝蔓間存在連接點，呈雪花結構，每兩個一級枝蔓間夾角約為60°，二級枝蔓間隙增大；隨著硫脲量增至1.2以上（圖2（e、f），雪花狀結構在結點處斷裂，分解為長度均一的一級枝蔓結構，平均長度約為5—7μm。從以上分析可知：采用不同摩爾比的前驅物合成產物在形貌上差別不明顯，均能合成枝蔓狀的CdS納米晶，在前驅物摩爾比為1：1時枝蔓結構的形貌均一性較好。所以，在后期實驗過程中選擇前驅物配比為1：1。

圖3　以水為溶劑，前驅物摩爾比為1∶1時在180℃下反應6h（a）、8h（b）、10h（c）和12h（d）下產物的SEM圖像

圖3是以水為溶劑，氯化鎘和硫脲摩爾比為1：1時在180℃下反應6h（a）、8h（b）、10h（c）和12h （d）下產物的SEM圖像。從圖3（a）中可以看出，產物的形貌為顆粒狀，粒徑約為100nm—200nm，顆粒之間出現明顯粘連，存在大量的團聚，呈島狀結構；當反應時間延長到8h（圖3（b）），團聚的CdS顆粒存在沿一維生長的趨勢，部分產物的形貌初顯枝蔓狀，長度約為2μm—5μm，生長不均一，同時仍存在大量的顆粒團聚；當反應時間繼續延長到10h時（圖3（c）），產物均為枝蔓結構，一級枝蔓長度約為3μm—5μm，二級枝蔓長度約為0.2μm—0.7μm，并且部分一級枝蔓間存在結合點；進一步延長反應時間到12h（圖3（d）），6個一級枝蔓（平均長度約為4μm—5μm）結合成一個雪花狀晶體，并且二級枝蔓結構生長的較為分離呈梳狀（長度不均一），間隙明顯增大，與圖2（d）圖像相一致。從以上分析可知，隨著反應時間的延長，晶體生長更加完善，團聚明顯變少，枝蔓結構更加分散，二級枝蔓結構間隙明顯增大?？傻贸鲆韵陆Y論：延長反應時間有助于CdS枝蔓結構的結晶生長。

3　結論

本文以CdCl2·2.5H2O和硫脲（H2NCSH2N）為反應前驅物，采用傳統的水熱法在不同的前驅物配比下180℃反應一段時間合成了枝蔓結構的CdS納米晶。研究表明：在不同的硫脲濃度下，均能合成結晶良好的枝蔓結構的產物，隨著硫脲量的增加，產物的枝蔓結構結晶更加良好，枝蔓結構更加均一；隨著反應時間的延長，由大量的團聚的CdS納米顆粒生長為枝蔓結構的CdS晶體，可見延長反應時間有助于CdS枝蔓結構的結晶生長。

參考文獻：

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［6］陶海征，敬承斌，趙修建等.CdS納米粒子的制備方法［J］.材料導報，2003，3，17：31-34.

［7］陳飛.有序CdS結構的可控制備及性能研究［D］.浙江大學博士學位論文，2009.

［8］Q.Q Wang，G.Xu，G.R.Han.G.R.，Synihesis and Characterization of Large-scale Hierarchical Dendrites of Singlecrystal CdS.Crystal Growth&Design.2006，8，6：1776-1780.

［9］［10］Wang D J，Li D S，Guo L，et.al.Template-Free Hydrothermal Synthesis of Novel Three-dimensional Dendritic CdS Nanoarchitectures［J］.J Phys.Chem.C，2009，15，113：5984-5990.

中圖分類號：O731

文獻標識碼：A

文章編號：1671-6469（2016）03-0100-03

收稿日期：2016-03-20

基金項目：新疆大學生創新創業項目“硫酸化合物薄膜太陽能電池材料的制備及性能研究”（201510997012）；昌吉學院院級項目“硫屬化合物晶華生長控制研究（2014YJYB006）；昌吉學院博士啟動基金項目“薄膜太陽能電池功能層材料的制備及光電性能研究”（2015BSQD001）。

第一作者簡介：張?；ǎ?981-），女，河南南陽人，昌吉學院物理系副教授，研究方向：納米材料的合成與表征分析。