纳米硫化镉复合材料的研究进展课件

1、1、背景2、基本特征3、制备方法4、微粒与分子复合技术5、微粒与体材料的复合技术 电镜下的硫化镉纳米硫化镉复合材料的研究进展背景：纳米硫化镉是一种重要的半导体功能材料，当前纳米硫化镉的研究主要集中在纳米材料的制备与生成机理的研究，对于纳米硫化镉与体材料的复合及其优异的化学性能在环境方面的运用研究还比较缺乏。下面综述了近年来国内外关于纳米硫化镉材料和纳米硫化镉复合材料的研究进展。一、硫化镉纳米材料背景纳米CdS因其具有较深的价带能级，故可使一些吸热的化学反应在被光辐射的CdS表面得到实现和加速。CdS还具有一些特殊的电化学性能，因此被广泛应用于自洁材料、介电材料、催化剂极载体、传感器、光催化太阳

2、能电池、光裂解水制氢以及光催化降解大气和水中污染物等领域。目前，对CdS纳米薄膜、纳米粉体及掺杂改性的纳米CdS复合材料的制备、结构相变及其应用已进行了大量研究。近年来，许多学者开始研究一些一维的纳米材料，例如纳米棒、纳米线、纳米带等。一、硫化镉纳米材料背景CdS纳米颗粒与普通大尺寸的CdS材料相比，它具有更大的比表面积和更强的吸附能力，有望进一步提高CdS的光电转换效率和光催化性能。特别是若能掺杂部分无机、有机、金属或者磁性材料而制备出复合纳米材料，则CdS纳米颗粒的光电性能和催化活性将得到大大的改善。由于纳米微粒的特殊层次和相态，若想将其特殊性能以材料形式加以应用，首先必须实现以某种形式将

3、它与体相材料复合与组装。为实现这种组装，对纳米粒子的尺寸大小、粒度分布、组装维数、表面修饰的控制是研究的关键，优良的合成、组装和表征方法可以保证实现上述过程的完成。一、硫化镉纳米材料背景CdS是典型的-族半导体，具有优异的光电转化特性，被用来作为太阳能电池的窗口。采用新兴的纳米技术将CdS纳米化以后，能赋予这种功能材料既有别于体相材料又不同于单个分子的特殊性质。量子尺寸效应使CdS的能级改变、能隙变宽，吸收和发送的光谱向短波方向移动，直观上表现为颜色的变化，当CdS粒度为5-6 nm时，其颜色已由体材料的黄色变成浅黄色。纳米粒子的表面效应引起CdS纳米微粒表面原子输送和构型的变化，同时也引起表

4、面电子自旋构象和电子能谱的变化，对其光学、电学以及非线性光学性质具有重要影响。二、纳米硫化镉的基本特征Yanagida 实验室在可见光和紫外光条件下，利用纳米CdS和纳米ZnS成功地对卤代苯及其衍生物进行光还原脱卤。由于纳米级别的CdS和ZnS具有极高的负还原电位，纳米尺寸使颗粒具有极大的比表面积，卤代物极易吸附在颗粒表面，在光照条件下，与催化载体发生交互作用。硫化镉和硫化锌的纳米晶体在烯烃、卤代物、氨基化合物等有机化合物的的光催化降解方面表现出极大的优势。另外，纳米硫化镉具有化学的稳定性和热稳定性，因此对于环境保护、纳米材料生物探头的发展具有很强的吸引力，在这一方面的研究也非常的热门。二、纳

5、米硫化镉的基本特征由于纳米微粒的特殊层次和相态，若想将其特殊性能以材料形式加以应用，首先必须实现以某种形式将它与体相材料复合与组装。为实现这种组装，对纳米粒子的尺寸大小、粒度分布、组装维数、表面修饰的控制是研究的关键，优良的合成、组装和表征方法可以保证实现上述过程的完成。制备纳米材料的方法总体上可分为气相法、液相法和机械粉碎法三大类。这些方法各有优势，但应用范围也有一定的限制。探寻方便、快捷、高效的制备纯度高、粒径分布窄而且形态均一的纳米材料的新方法一直是合成化学家和材料科学家共同努力的方向。三、纳米硫化镉的制备方法近些年来，一些新的方法被用于纳米材料的制备并初步显示了其优越性。这其中包括超声

6、化学方法、超声电化学方法、溶剂热方法和低温固相反应法等。这些方法的出现，扩展了纳米材料的制备技术，推动了纳米材料科学研究的进一步发展，为纳米科学技术注入了新的活力，以利于其在光学，电化学，生物等领域的应用。三、纳米硫化镉的制备方法CdS纳米微粒有序薄膜的组装方法：1、LB膜技术2、自组装膜技术3、浇铸膜技术4、分子沉积技术。四、纳米硫化镉微粒与分子有序薄膜的复合技术及研究L-B（Languir-Blodgett）成膜技术是利用具有疏水端和亲水端的两亲性分子在气液界面的定向性质，在侧向施加一定压力的条件下，形成分子紧密定向排列的单分子膜。利用LB膜技术可以实现在分子水平上的组装，能获得排列有序、

7、厚度精确控制的单分子膜，膜的性质不同于晶体和无定型固体粉末，所以把CdS制成膜材料，研究这种功能材料在LB膜的性质对于将其潜在的应用价值变为现实生产力具有重要意义。4、1 CdS纳米微粒在LB膜中的复合(1)先形成复合有Cd2+的单层膜或多层膜，再与H2S气体反应在位制成CdS纳米微粒，来构造有机、无机交替LB膜。(2)以CdS纳米微粒的水溶胶为亚相，通过静电吸附在气液界面上形成复合LB膜，再转移为单层或多层复合有纳米微粒的LB膜，从而将半导体纳米微粒组装在LB膜的亲水层之间(3)用包埋有表面活性剂的CdS纳米粒子在水面上直接成膜，可以得到纳米微粒膜。CdS纳米微粒在LB膜中的复合通常有下列几

8、种形式：自组装膜是通过化学键相互作用自发吸附在固液或气液界面上，形成热力学稳定和能量最低的有序膜。无论基底形状如何，吸附分子与基底可形成均匀一致的、排列有序的、高密集度和低缺陷的覆盖层。Shenton利用自组装的方法在基底上形成细菌硫层2二维有序蛋白质膜，然后将其作为模板把CdS纳米粒子组装在其中。该种方法得到CdS纳米粒子膜高度有序。其制作过程如图3所示。由于自组装分子与基底通过共价键或离子键结合，而LB膜与基底是靠范德华力结合，所以在膜的稳定性方面，自组装膜比LB膜优越，但自组装膜制作周期长，且生长多层膜较为困难。LB膜可以通过压缩更好地控制单层膜的状态，并易制得多层膜。4.2 自组装膜(

9、SAMs)技术浇铸膜可由浸渍或旋涂方法来制备。Kimizuka用浇铸的方法构造了纳米微粒的层状结构。这种方法是通过浇铸络合有Cd2+的具有不同长度疏水链的分子来形成层状结构，然后通过与H2S气体反应制得复合层状结构的CdS纳米微粒，粒度可以控制在35 nm之间。该方法操作简便，适用于大规模工业流程，但难以实现膜高度有序。4.3 浇铸膜(cast film)MD膜以阴阳离子的静电相互作用作为驱动力，制备单层或多层有序膜。采用与纳米微粒具有相反电荷的双离子和多聚离子化合物与纳米微粒交替生长，来制备有机、无机交替MD膜。Kotov制备了CdS纳米粒子的MD膜，其首先在基底上先沉积聚阳离子(po ly

10、cat ion)，然后沉积CdS纳米粒子，如此反复，得到多层CdS与有机聚合物交替的MD膜。这种方法也适用于组装具有相反电荷不同种纳米微粒的复合纳米微粒有序膜。MD膜强烈的静电相互作用保证了交替的有序性，为纳米微粒有序组装提供了一种新方法。4.4 分子沉积(MD)技术纳米微粒与体材料的复合是实现纳米微粒特殊性质的一个重要的研究方向，选择不同的体材料作为复合纳米微粒的基底可以有效的利用纳米微粒性质。五 、纳米硫化镉微粒与体材料的复合技术无机玻璃有着非常优异的光学性能，因此在纳米微粒复合制备光学材料方面体现了很大的优势。Hayes利用固态反应将CdS半导体纳米晶复合在硼硅酸盐玻璃中，粒子直径为1.

11、45 nm。邻域内Cd、S与Cd、Cd的距离分别小于体材料值的0.2 %，并且最大表面张为0.15 N/m。如此低的表面张力表明镶嵌在玻璃中的纳米粒子比同尺寸裸露的或被包埋的纳米粒子更为稳定。5.1 无机玻璃由于分子筛存在着排列有序、尺寸和形状均一的笼洞，因此能很好地限制纳米微粒的生长，同时使纳米微粒产生二维、三维周期性排列，采用分子筛来复合纳米微粒在控制尺寸及纳米微粒的三维有序排列方面显示了很大的优势，为研究纳米微粒形成的有序结构及对其光电性质的影响提供了很好的模板。5.2 分子筛由聚合物复合的CdS半导体纳米微粒的制备一般采用下述两种方法：(1)采用离子交换法将金属离子引入聚合物，再通过与其他试剂反应在位合成无机纳米微粒。 (2)利用金属有机化合物作为自由基聚合反应的单体，与另一种自由基进行无规共聚或交替共聚，将金属离子引入聚合物，然后再通过与其他试剂