專利名稱：利用放熱反應(yīng)制備納米SnO₂材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種利用放熱反應(yīng)制備納米Sn02材料的方法。
背景技術(shù)：
近十幾年來，隨著電子科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各種電子器件日趨細(xì)微化。同時(shí)，為了對(duì)空氣中所包含的各種各樣的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行有效的檢測(cè)與控制，氣敏半導(dǎo)體檢測(cè)是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、快速有效的一種方法。目前，國內(nèi)外研究和應(yīng)用的氣敏材料主要有Fe203、 ZnO、 ZnS、Sn02、 Ti02、 W03等，其中以Sn02為主。Sn02是一種用途廣泛的半導(dǎo)體傳感器材料，用它制備的氣敏傳感器具有靈敏度高、工作溫度低的特點(diǎn)，被廣泛用于各種可燃?xì)怏w、工業(yè)廢氣、環(huán)境污染氣體以及其他各種有害氣體的檢測(cè)和預(yù)報(bào)。此外，Sn02具有特定的導(dǎo)電性和反射紅外線輻射的特性，對(duì)可見光具有良好的通透性，在水溶液中具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，其在壓電電阻、光電子裝置、液晶顯示、太陽能電池、透明導(dǎo)電電極、防紅外探測(cè)保護(hù)等領(lǐng)域也有廣泛的用途。以Sn02為基制備的濕敏傳感器，在改善室內(nèi)環(huán)境、物資儲(chǔ)藏、精密儀器設(shè)備機(jī)房以及圖書館、美術(shù)館、博物館等場(chǎng)所亦有廣泛的用途。
目前，制備納米Sn02材料有很多方法，常用的方法有室溫固相化學(xué)法，沉淀法，水熱合成法，溶膠一凝膠法等。但這幾種方法都有自己的缺點(diǎn)室溫固相化學(xué)法對(duì)反應(yīng)速度還無法較好地控制；沉淀法得到的產(chǎn)物純度較低，粒徑較大；水熱合成法實(shí)驗(yàn)條件較為復(fù)雜，需在高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行；中國專利CN19356666A公開了一種溶膠-凝膠法制備二氧化錫納米材料的方法，該方法將磷鉬酸與氫氧化錫粉末混合均勻，加入無水乙醇調(diào)成漿狀，65-80'C下恒溫4一10小時(shí)，干燥2 — 6h，再用馬弗爐煅燒得到改性的納米二氧化錫材料；但是該方法需使用磷鉬酸改性，工藝復(fù)雜，并且需使用大量乙醇，提高了制備成本不利于工業(yè)化生產(chǎn)。中國專利CN101298338A公開了一種二氧化錫納米棒的電子束輻照合成方法，該方法可在常溫常壓下不使用任何催化劑就能制造二氧化錫納米材料，然而，該方法對(duì)設(shè)備要求高，同時(shí)，需要消耗大量的電能，不利于工業(yè)化推廣。
放熱反應(yīng)是化學(xué)領(lǐng)域常見的反應(yīng)，但是將其用于制備納米材料還沒有相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有方法制備納米Sn02材料的不足之處，提供了一種基于
3放熱反應(yīng)的制備納米Sri02材料的方法，使制備的納米Sn02材料不僅純度較高、粒徑分布均勻，而且分散性好且無或輕團(tuán)聚。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種利用放熱反應(yīng)制備納米Sn02材料的方法，其特征在于，
包括如下步驟
(1) 將質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例分別為Al粉10-35%， Cu20 30-55%， Fe203 16-36%, Mn022-15%, Sn025-12%， CaO0-2%， CaF2 1-3%的藥粉混合均勻，然后將混合藥粉裝入反應(yīng)裝置中；
(2) 用鎂條點(diǎn)燃引火粉進(jìn)而引燃該反應(yīng)藥粉；
(3) 利用點(diǎn)火前已放置在反應(yīng)裝置上方的收集裝置收集納米Sn02材料；上述混合藥粉的粒徑是50-200目；
上述反應(yīng)裝置是自帶通孔的石墨容器；
上述收集裝置的外部是用耐熱鋼制備的外殼，外殼的內(nèi)部是由耐熱鋼制備的網(wǎng)格組成，并且其包括上模和下模兩部分，下模設(shè)有小孔，插孔用于插入鎂條。
本發(fā)明的有益效果是該發(fā)明裝置簡單、實(shí)驗(yàn)條件溫和且其成本低、工藝簡單，不需要催化劑，生成物純度較高、粒徑分布均勻、分散性好且無或輕團(tuán)聚的納米Sn02材料。


下面結(jié)合附圖對(duì)該發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明產(chǎn)物的X射線衍射圖。圖2是本發(fā)明產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡圖。圖3是制備納米Sn02材料的儀器裝配剖面圖。圖4是納米Sn02材料收集裝置下模俯視圖。其中，l-上模、2-下模、3-插孔、4-反應(yīng)裝置。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是基于放熱反應(yīng)來制備納米Sn02。反應(yīng)裝置是自帶通孔的石墨容器，在放熱反應(yīng)的過程中，利用金屬化合物化學(xué)反應(yīng)熱作為熱源從而制備納米Sn02材料。本發(fā)明通過如下方式實(shí)現(xiàn)
將A1粉、Cu20、 Fe203、 Mn02、 Sn02、 CaO、 CaF2按照一定比例混合均勻制備反應(yīng)的藥粉，用鎂條和引火粉引燃該化學(xué)反應(yīng)，其中引火粉組成為2g高錳酸鉀和lg硫粉。在該反應(yīng)過程中，Al作為還原劑和Qi20、 Fe203、 Mn02等氧化物粉末進(jìn)行反應(yīng)且少量的Sn02也參與了反應(yīng)。
2Al+3Cu20=Al203+6Cu2Al+Fe203=Al203+2Fe4Al+3Mn02=2Al203+3Mn
這些反應(yīng)均為放熱反應(yīng)。混合粉末被引燃之后迅速發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在反應(yīng)過程中釋放大量的熱量，使反應(yīng)的生成物Cu、 Fe、 Mn熔化，得到過熱的混合金屬液，在反應(yīng)生成渣Al20rCaO-CaF2的保護(hù)下，液態(tài)金屬溫度可達(dá)到2000口以上，而二氧化錫在1800 1卯0口升華。二氧化錫在上升過程中快速冷卻凝固生成顆粒狀，落在不銹鋼網(wǎng)格的基體上，成為下一步晶體生長的晶核。在反應(yīng)過程中形成的二氧化錫分子團(tuán)簇在顆粒表面異質(zhì)形核并且逐漸生長成為所需要的納米Sn02材料。反應(yīng)過程中，沒有催化劑的存在，提供了一種新的納米材料制備的方法。
納米二氧化錫材料具體制備方法是:按照設(shè)定好的比例稱取一定量50-200目的的Al粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO和CaF2，并且用攪拌機(jī)將這些藥粉混合均勻。用氧一乙炔火焰將由石墨制成的放熱反應(yīng)模具烘干，去除模具中的水蒸氣；移除氧一乙炔火焰，將混合均勻的藥粉裝入反應(yīng)模具中，且將反應(yīng)藥粉壓實(shí)，以加劇該反應(yīng)的進(jìn)行。在壓實(shí)的藥粉上面，均勻撒一些引火粉，然后將去除氧化皮的Mg條插在引火粉上作為導(dǎo)火索，引燃Mg條，該反應(yīng)就進(jìn)行。在引燃鎂條前，在反應(yīng)模具的上方安裝收集裝置，并且反應(yīng)模具包括上模1和下模2兩部分，下模設(shè)有插孔3，插孔用于插入鎂條，其組裝如圖3、 4所示。反應(yīng)結(jié)束后就可以得到所需要的納米Sn02材料。
本發(fā)明所制得的納米Sn02材料的特征可用以下方法測(cè)試-
1 X射線衍射。本材料是納米Sn02材料，在X射線衍射譜中會(huì)給出二氧化錫的特征衍射峰，以此來判斷納米二氧化錫是否生成。
2掃描電子顯微鏡。通過掃描電子顯微鏡可以清楚的看到納米二氧化錫的形貌特征，而且可以粗略估算其直徑的大小。
具體實(shí)施例
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，以下實(shí)施例的說明將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。實(shí)施例1
首先將A1粉，Cu20, Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七種物質(zhì)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例為
13: 55: 16: 2: 12: 0.5: 1.5稱取且用攪拌機(jī)將它們均勻混合。用氧-乙炔火焰除去放熱反應(yīng)模具中的水分，然后就可以將均勻混合的藥粉倒入除去水分的放熱反應(yīng)模具中且將藥粉壓實(shí)。在壓實(shí)的藥粉上面均勻撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg條，引燃Mg條前將納米Sn02材料收集裝置安裝在放熱反應(yīng)模具上，其組裝如圖3所示，反應(yīng)結(jié)束后就可得到納米Sn02材料。
所得納米Sri02材料的X射線衍射和掃描電子顯微鏡表征結(jié)果見圖1和圖2。由圖1和圖2可以看出圖1的X射線衍射圖中，最強(qiáng)衍射峰的晶面是(110)，根據(jù)Sn02的PDF卡片比對(duì)知其為Sn02，從X射線衍射的衍射峰位置可以看出，所得的納米Sn02材料純度很高，并且根據(jù)謝樂公式計(jì)算得其直徑為53.70912nm;圖2是該產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡的圖片，從圖2可以看出本發(fā)明所得的納米Sn02材料粒徑分布均勻、分散性好且無或輕團(tuán)聚的納米Sn02材料，圖2還進(jìn)一步證實(shí)納米Sn02產(chǎn)物生成且其直徑約為50nm。
實(shí)施例2
首先將A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七種物質(zhì)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比例
為20: 36: 22: 8: 12: 1: 1稱取且用攪拌機(jī)將它們均勻混合。用氧-乙炔火焰除去放熱反應(yīng)模具中的水分，然后就可以將均勻混合的藥粉倒入除去水分的放熱焊接模具中且將藥粉
壓實(shí)。在壓實(shí)的藥粉上面均勻撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg條，引燃Mg條前將納米Sn02材料收集裝置安裝在放熱焊接反應(yīng)模具上，其組裝如圖3所示，反應(yīng)結(jié)束后就可得到納米Sn02材料。該產(chǎn)品經(jīng)X射線衍射和掃描電子顯微鏡表征證明純度很高的納米二氧化錫產(chǎn)物生成，其平均直徑約為60nm。
實(shí)施例3
首先將A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七種物質(zhì)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比例
為12: 50: 16: 9: 10: 0: 3稱取且用攪拌機(jī)將它們均勻混合。用氧-乙炔火焰除去放熱反
應(yīng)模具中的水分，然后就可以將均勻混合的藥粉倒入除去水分的放熱焊接模具中且將藥粉
壓實(shí)。在壓實(shí)的藥粉上面均勻撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg條，引燃Mg條前將納米Sn02材料收集裝置安裝在放熱焊接反應(yīng)模具上，其組裝如圖3所示，反應(yīng)結(jié)束后就可得到納米Sn02材料。該產(chǎn)品經(jīng)X射線衍射和掃描電子顯微鏡表征證明純度很高的納米二氧化錫產(chǎn)物生成，其平均直徑約為60nm。
實(shí)施例4
首先將A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七種物質(zhì)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比
例為15: 30: 33: 15: 5: 1: 1稱取且用攪拌機(jī)將它們均勻混合。用氧-乙炔火焰除去放熱
反應(yīng)模具中的水分，然后就可以將均勻混合的藥粉倒入除去水分的放熱焊接模具中且將藥粉壓實(shí)。在壓實(shí)的藥粉上面均勻撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg條，引燃Mg條前將納米Sn02材料收集裝置安裝在放熱焊接反應(yīng)模具上，其組裝如圖3所示，反應(yīng)結(jié)束后就可得到納米Sn02材料。該產(chǎn)品經(jīng)X射線衍射和掃描電子顯微鏡表征證明純度很高的納米二氧化錫產(chǎn)物生成，其平均直徑約為55nrn。
實(shí)施例5
首先將A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO, CaF2七種物質(zhì)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比
例為35: 30: 20: 2: 10: 2: 1稱取且用攪拌機(jī)將它們均勻混合。用氧-乙炔火焰除去放熱
反應(yīng)模具中的水分，然后就可以將均勻混合的藥粉倒入除去水分的放熱焊接模具中且將藥
粉壓實(shí)。在壓實(shí)的藥粉上面均勻撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg條，引燃Mg條前將納米Sn02材料收集裝置安裝在放熱焊接反應(yīng)模具上，其組裝如圖3所示，反應(yīng)結(jié)束后就可得到納米Sn02材料。該產(chǎn)品經(jīng)X射線衍射和掃描電子顯微鏡表征證明純度很高的納米二氧化錫產(chǎn)物生成，其平均直徑約為50nm。實(shí)施例6
首先將A1粉，Cu20， Fe203， Mn02， Sn02， CaO， CaF2七種物質(zhì)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比
例為10: 30: 36: 10: 9: 2: 3稱取且用攪拌機(jī)將它們均勻混合。用氧-乙炔火焰除去放熱
反應(yīng)模具中的水分，然后就可以將均勻混合的藥粉倒入除去水分的放熱焊接模具中且將藥
粉壓實(shí)。在壓實(shí)的藥粉上面均勻撒上引火粉，在其引火粉上插入Mg條，引燃Mg條前將納米Sn02材料收集裝置安裝在放熱焊接反應(yīng)模具上，其組裝如圖3所示，反應(yīng)結(jié)束后就可得到納米Sn02材料。該產(chǎn)品經(jīng)X射線衍射和掃描電子顯微鏡表征證明純度很高的納米二氧化錫產(chǎn)物生成，其平均直徑約為55nm。
權(quán)利要求
1.一種利用放熱反應(yīng)制備納米SnO2材料的方法，其特征在于，包括如下步驟(1) 將質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例分別為Al粉10-35％，Cu2O 30-55％，F(xiàn)e2O3 16-36％，MnO22-15％，SnO2 5-12％，CaO 0-2％，CaF2 1-3％的藥粉混合均勻，然后將混合藥粉裝入反應(yīng)裝置(4)中；(2)用鎂條點(diǎn)燃引火粉進(jìn)而引燃該反應(yīng)藥粉；(3)利用點(diǎn)火前已放置在反應(yīng)裝置(4)上方的收集裝置收集納米SnO2材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用放熱反應(yīng)制備納米Sn02材料的方法，其特征在于所述混合藥粉的粒徑是50-200目。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用放熱反應(yīng)制備納米Sn02材料的方法，其特征在于所述反應(yīng)裝置是自帶通孔的石墨容器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用放熱反應(yīng)制備納米Sn02材料的方法，其特征在于所述收集裝置的外部是用耐熱鋼制備的外殼，外殼的內(nèi)部是由耐熱鋼制備的網(wǎng)格組成，并且其包括上模(1)和下模(2)兩部分，下模設(shè)有插孔(3)，插孔用于插入鎂條。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用放熱反應(yīng)制備納米SnO₂材料的方法，該方法包括如下步驟首先，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例分別為Al粉10-35％，Cu₂O 30-55％，F(xiàn)e₂O₃ 16-36％，MnO₂ 2-15％，SnO₂ 5-12％，CaO 0-2％，CaF₂ 1-3％的藥粉混合均勻，然后將混合藥粉裝入反應(yīng)裝置中；然后，用鎂條點(diǎn)燃引火粉進(jìn)而引燃該反應(yīng)藥粉；最后，利用點(diǎn)火前已放置在反應(yīng)裝置上方的收集裝置收集納米SnO₂材料。采用本發(fā)明制備納米二氧化錫，工藝簡單，周期短，成本低，所得SnO₂產(chǎn)品純凈，粒徑均勻且產(chǎn)品的生成率較高，易于用于工業(yè)化生產(chǎn)中。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101671050SQ20091027228
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者任正元, 張國棟, 玲 李 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)