金属硫化物纳米材料控制合成和性质研究取得进展

2011-5-11 16:37 来源: 中国科学院
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苏州纳米所金属硫化物纳米材料控制合成和性质研究取得系列进展

  

  

金属硫化物纳米材料控制合成和性质研究取得系列进展

  金属硫化物具有优异的光电性质及其应用,但是这些光电性质具有尺寸、形貌和化学组分依赖特性。因此,合理设计、可控合成具有特殊光学、电学和磁学性质的金属硫化物纳米材料已成为纳米生物医学、光电器件、催化等前沿领域的研究热点。

  最近,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王强斌课题组在采用单源前躯体法控制合成金属硫化物纳米材料以及性质研究方面取得了一系列重要进展。他们建立了一种热分解二乙基二硫代氨基甲酸盐的方法,可以简单、高效地制备不同种类的金属硫化物纳米材料,并且可以实现对其形貌、大小和化学组成进行充分的调控。

  例如,该课题组在国际上首次通过热分解二乙基二硫代氨基甲酸银(Ag(DDTC)),制备得到了尺寸均匀的、大小为10nm左右的单分散性Ag2S近红外量子点。相比较目前的含有铅、镉或汞等元素的近红外量子点,Ag2S量子点具有毒性较低的优点。光谱研究结果表明,该Ag2S量子点具有良好的近红外荧光发射特性。这种新型Ag2S量子点的发现对于活体深层组织荧光成像技术具有重要的意义。这项研究成果发表在国际著名杂志Journal of the American Chemical Society上(2010, 132, 1470-1471)。

  硫化锌作为一种重要的半导体材料,不仅具有出色的物理特性,如带隙宽、折射率高和透光率高等,而且在光学,电子和光电子器件等方面具有巨大的应用前景。虽然目前有很多制备ZnS纳米材料的报道,但是如何制备直径小于其波尔半径的ZnS纳米材料还是一个挑战。王强斌课题组采用在油胺中热分解Zn(DDTC)2的方法,首次获得了具有强量子限制效应的超细ZnS纳米线(半径为2.2 nm,小于其波尔半径2.4 nm),其产率几乎可达到100%。进一步研究发现,通过改变溶液中配体分子的种类可以调控ZnS的形貌,例如,在油胺中加入油酸分子,可以得到ZnS量子点。该项研究结果发表在Chemical Communications. (2010, 46, 8941-8943)。

  除了具有特殊光学性质的金属硫化物,该课题组在利用单源前躯体法可控合成磁性硫化物方面也取得了新进展,成功合成了不同形貌的磁性硫化铁纳米材料,并对其形成机制进行了深入研究。实验结果发现,分别以Fe(DDTC)3 和 Fe(DDTC)2(Phen)作为前躯体,可以得到立方相的Fe3S4纳米颗粒和单斜相的Fe7S8纳米片,它们在室温下表现出强磁性。进一步调控实验条件,还可以得到弱磁性的Fe1.2S纳米带 (CrystEngComm. 2010, 12, 3658-3663)。

  在上述研究结果的基础上,该课题组将这种热分解二乙基二硫代氨基甲酸盐制备金属硫化物的方法扩展到金属锡体系,成功合成了超大的单晶SnS矩形纳米片(7000nm×3000nm×20nm),这种独特的二维结构和极薄的厚度,使SnS表现出优异的电化学性能。其作为锂离子电池负极材料时可使电池容量在电压为1.2V处达350mAh/g,并具有循环可逆性。通过改变试验条件,可以对产物的形貌和组成进行调控,得到SnS2纳米盘。(Chem. Commun. 2011, 47, 5226-5228)。

  除了以上提及的金属硫化物,该课题组利用单源前躯体法还成功合成了CdS荧光量子点和纳米棒、PbS 纳米立方体、Bi2S3纳米片、可用作太阳电池材料的Cu2S量子点和Cu7S4纳米颗粒等。对以上工作进行总结,该课题组发表了一篇综述性文章(CrystEngComm, 2011, DOI: 10.1039/C0CE00982B)。采用热分解单源前躯体的方法不但能够精确控制金属硫化物纳米材料的尺寸和形貌,还能有效调控其化学组成,这为进一步系统研究金属硫化物的性质及应用奠定了重要基础。

  上述研究工作得到了中科院“百人计划”,中科院战略先导专项,科技部,国家自然科学基金委以及中国科学院-国家外国专家局创新团队国际合作伙伴计划的大力支持。