一种分级结构的碲化铋纳米晶及其制备方法.pdf

本发明的一种分级结构的碲化铋纳米晶及其制备方法属于纳米材料及其合成方法的技术领域。首先将醋酸铋，油酸和十八烯装入容器中并伴随着磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的碲的三辛基膦溶液加入到容器中，在140~240℃下反应并保温0.5~6小时。本发明利用溶胶–凝胶法制备出分级结构的碲化铋纳米晶，并可以通过改变反应温度和时间，实现碲化铋纳米晶尺寸、形貌的控制。

权利要求书一种分级结构的碲化铋纳米晶，分子式为Bi2Te3；形貌为纳米片交叉成花状后，相连构成毛毛虫状；平均直径为230~565nm。
一种权利要求1的分级结构的碲化铋纳米晶的制备方法，有如下过程，
（1）配制碲的三辛基膦溶液：将碲粉和三辛基膦混合，在氮气的保护下升温至200~250℃保持2~4小时后自然降至室温，得到浓度为0.2mol/L的碲的三辛基膦溶液贮存备用；
（2）分级结构Bi2Te3纳米晶的制备：将醋酸铋，油酸和十八烯装入容器中进行磁力搅拌，在氮气的保护下升温至醋酸铋完全溶解；之后降至室温，将碲的三辛基膦溶液加入到容器中，在140~240℃下反应并保温0.5~6小时；经离心洗样得到碲化铋粉体；其中按摩尔比醋酸铋∶碲=2∶3，按体积比油酸∶十八烯=1∶6，油酸的用量按每mmol醋酸铋加入5mL油酸计算。

说明书一种分级结构的碲化铋纳米晶及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料及其合成方法的技术领域，特别涉及一种制备分级结构的（hierarchical）纳米晶及其方法。
背景技术
由于煤炭的燃烧及汽车尾气的排放，逐渐导致全球气候变暖并产生很多废热。而发展热电材料则是解决这一问题的有效途径，因为热电材料可以利用外界的废热而转换成对人类有用的电能。碲化铋（Bi2Te3）由于室温下具有高的品质因子（ZT），因此在传统工艺中常常作为室温下潜在的热电材料而被广泛研究。而纳米材料相对于体材料而言，可以有效降低晶格热导率，从而提高纳米材料的热电性能。最近，Bi2Te3被提出作为最简单的三维拓扑绝缘体之一，这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体而其表面则是无能隙的金属态。相对于宏观块体材料，拓扑绝缘体纳米材料具有大的比表面积，能有效抑制体态载流子的贡献，从而凸显拓扑表面态性质。因此，人们一直在寻求一种更加有效的方法实现Bi2Te3的制备。
现有的Bi2Te3都是通过较高温度下的固态粉末烧结而成，或是将相应的固体粉末利用球磨机研磨制得。并且，大多数是基于体材料的Bi2Te3的制备。至今，利用胶体化学方法制备分级结构的Bi2Te3纳米晶还未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种利用溶胶‑凝胶法制备分级结构的碲化铋纳米晶的方法，该方法简单易于操作，并实现尺寸、形貌可控。
本发明的产物的技术特征如下所述：
一种分级结构的碲化铋纳米晶，分子式为Bi2Te3；形貌类似纳米片交叉成花状后，相连构成毛毛虫状；平均直径为230~565nm。
制备分级结构Bi2Te3纳米晶的技术方案是：
一种分级结构的碲化铋纳米晶的制备方法，有如下过程，
（1）配制碲的三辛基膦溶液：将碲粉和三辛基膦混合，在氮气的保护下升温至200~250℃保持2~4小时后自然降至室温，得到浓度为0.2mol/L的碲的三辛基膦溶液贮存备用；
（2）分级结构Bi2Te3纳米晶的制备：将醋酸铋，油酸和十八烯装入容器中进行磁力搅拌，在氮气的保护下升温至醋酸铋完全溶解；之后逐渐降至室温，将碲的三辛基膦溶液加入到容器中，在140~240℃下反应并保温0.5~6小时；经离心洗样得到碲化铋粉体；其中按摩尔比醋酸铋∶碲=2∶3，按体积比油酸∶十八烯=1∶6，油酸的用量按每mmol醋酸铋加入5mL油酸计算。
所述的离心洗样按常规方法进行。
本发明的有益效果是制备出Bi2Te3纳米晶；并且可以通过改变反应温度和保温时间，实现尺寸、形貌可控的碲化铋纳米晶的制备。
附图说明
图1为实施例2制备的Bi2Te3样品的X射线衍射谱。
图2为实施例2在140℃保持2小时后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
图3为实施例3在160℃保持2小时后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
图4为实施例4在180℃保持2小时后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
图5为实施例5在200℃保持2小时后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
图6为实施例6在220℃保持2小时后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
图7为实施例7在240℃保持2小时后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
图8为实施例8在200℃保持30分钟后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
图9为实施例9在200℃保持1小时后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
图10为实施例9在200℃保持1小时后制备的Bi2Te3样品的高分辨透射电镜照片。
图11为实施例10在200℃保持4小时后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
图12为实施例11在200℃保持6小时后制备的Bi2Te3样品的扫描电镜照片。
具体实施方式
现结合下列实施例更加具体地描述本发明，如无特殊说明，所用试剂均为市售可获得的产品，并未加进一步提纯使用。
实施例1碲的三辛基膦溶液的配制
配制浓度为0.2mol/L的碲的三辛基膦溶液，具体操作工艺如下：将碲粉和三辛基膦混合至50mL圆底三颈瓶中，在氮气的保护下升温至200℃保持4小时后自然将至室温，并贮存以备用。
也可以在氮气的保护下升温至250℃保持2小时后自然将至室温，配制得到浓度为0.2mol/L的碲的三辛基膦溶液。
实施例2在反应温度为140℃保持2小时后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至140℃并保持2小时。图1为制得的样品的X射线衍射图，为三角晶系的Bi2Te3。如图2所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径为230nm。
实施例3在反应温度为160℃保持2小时后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至160℃并保持2小时。如图3所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径为345nm。
实施例4在反应温度为180℃保持2小时后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至180℃并保持2小时。如图4所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径为450nm。
实施例5在反应温度为200℃保持2小时后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至200℃并保持2小时。如图5所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径为470nm。
实施例6在反应温度为220℃保持2小时后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至220℃并保持2小时。如图6所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径为520nm。
实施例7在反应温度为240℃保持2小时后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至240℃并保持2小时。如图7所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径为565nm。
实施例8在反应温度为200℃保持30分钟后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至200℃并保持30分钟。如图8所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径为320nm。
实施例9在反应温度为200℃保持1小时后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至200℃并保持1小时。如图9所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径为430nm。从图10中的样品的高分辨透射电子显微镜可以看到，条纹间距为对应于三角晶系的(015)晶面间距。
实施例10在反应温度为200℃保持4小时后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至200℃并保持4小时。如图11所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径为535nm。
实施例11在反应温度为200℃保持6小时后制备的分级结构Bi2Te3纳米晶
首先将0.2mmol醋酸铋，1mL油酸和6mL十八烯装入50mL圆底三颈瓶中并伴随着强烈的磁力搅拌，在氮气的保护下逐步升温至醋酸铋完全溶解。随后逐渐降至室温。在室温下将事先配制的0.2mol/L碲的三辛基膦溶液1.5mL加入到三颈瓶中，然后升至200℃并保持6小时。如图12所示，从所制得的样品的扫描电镜照片可以看到，分级结构Bi2Te3纳米晶直径约为550nm。