[发明专利]一种溶剂热合成碲化铋多晶纳米盘的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种溶剂热合成碲化铋多晶纳米盘的方法，该方法制备的多晶纳米盘包含无取向优势的碲化铋多晶纳米盘和具有取向优势的层片状碲化铋多晶纳米盘两种。

背景技术

碲化铋是一种良好的半导体热电材料，在电子技术、温差发电、热电制冷等领域被广泛的应用。纳米Bi₂Te₃材料的尺寸和微观形貌结构对其热电性能有很大影响，因此控制合成形貌均一、纯度较高的低维多晶碲化铋纳米材料对提高其热电性能和拓展其应用领域具有重要价值。

目前，制备纳米碲化铋的方法主要有溶剂热合成法，机械合金化法、气相沉积法，低温湿化学法等。其中，机械合金化法生产周期长、能耗较高、产率较低，而且在球磨过程中易引起污染；气相沉积法是从气相直接进行晶体生长的方法，该方法存在成本高、热电转换效率低等问题，不适合大规模化生产。溶剂热合成法由于操作简单，反应时间短、产物纯度高等优点被广泛采用。但是，目前常见的溶剂热合成碲化铋的产物主要为单晶纳米材料，且晶粒尺寸较大，其热电优值ZT≈1（Journal of Crystal Growth265(2004):558–562），这对于纳米碲化铋在热电转换领域的应用存在一定程度的制约。多晶Bi₂Te₃纳米盘由于晶粒尺寸较小，只有几个纳米，且存在大量的缺陷，这使得多晶Bi₂Te₃纳米盘具有较高的电导率和较低的热导率，有利于提高Bi₂Te₃纳米材料的热电优值。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、反应时间短、产物纯度高的溶剂热合成碲化铋多晶纳米盘的方法，能够制备出性能优异的多晶碲化铋纳米粉体材料。

一种溶剂热合成碲化铋多晶纳米盘的方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

（1）将Bi(NO₃)₃·5H₂O和Te粉加入到DMF溶剂中，并搅拌至完全溶解；

（2）在继续搅拌情况下，滴加NaOH溶液来调节pH值；

（3）加入助剂，搅拌至均匀；

（4）在继续搅拌条件下，加入还原剂NaBH₄，并搅拌均匀；

（5）将得到的混合液转移至密闭容器中，进行溶剂热反应；

（6）将所得产物用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次，然后在低于100℃的温度下真空干燥，即可制得碲化铋多晶纳米盘。

步骤（1）中Bi(NO₃)₃·5H₂O、Te粉、DMF溶剂各物质的比例关系为2mmol Bi(NO₃)₃·5H₂O：3mmol Te：4.5～24ml DMF溶剂。

步骤（2）中调节pH值≥8。

步骤（3）中加入的助剂为PVP K30，控制PVP K30与DMF溶剂的比例关系为0.1g PVP K30：6～24ml DMF，从而使产物为无取向优势的碲化铋多晶纳米盘；或者步骤（3）中加入的助剂为PEG-4000，控制PEG-4000与DMF溶剂的比例关系为1g PEG-4000：3-120ml DMF，从而使产物为具有取向优势的层片状碲化铋多晶纳米盘。

步骤（4）中控制还原剂NaBH₄与Te粉的物质的量比为3～7mmolNaBH₄：1mmol Te。

步骤（5）中控制溶剂热反应的温度为160-200℃，时间为20-48小时。

步骤（6）中将所得产物先用蒸馏水洗涤1-4次，再用无水乙醇洗涤1-3次。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：1、本发明所得多晶碲化铋纳米材料，经XRD和HRTEM测定，产物为多晶纳米盘结构。其中加入PVP K30助剂时，产物为无取向优势的碲化铋多晶纳米盘（见图2，3，4）。加入PEG-4000助剂时，产物为具有明显取向优势的层片状碲化铋多晶纳米盘（见图5，6，7）。2、本发明所涉及反应在密闭环境中进行，过程中无其他杂质介入，经XRD测定无其他杂质峰出现，纯度较高，且形貌均一（见图4，7）。3、本发明制备工艺流程短，操作简单，环境友好，产率高达95%以上。4、本发明所得碲化铋多晶纳米盘粉体材料具有优异的热电性能。

附图说明

图1是本发明的工艺过程流程图；