TiO2复合氧化锡锑的可控制备及其导电性能研究

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多功能化导电二氧化钛制备工艺的开发与应用在导电、抗静电领域具有巨大的潜在应用价值。本论文采用三种不同方法制备了二氧化钛(TiO2)复合氧化锡锑(ATO)导电材料,并通过控制导电组分中构晶阴阳离子的缓释,逐步实现对复合导电材料的可控制备。利用SEM、TEM、XRD、EPR、XPS、TG-DTA及FTIR等多种分析测试方法对复合材料的宏观成分及其组成,微观结构形貌,物相结构及相关理化性能等进行了针对性的表征,重点研究了复合材料的主要制备工艺条件与材料微观结构及其导电性能的内在关联性,同时初步探讨了不同制备方法的化学反应过程与机制,构建了TiO2复合氧化锡锑材料的导电机制模型。1)以过硫酸铵盐为引发剂,将锡锑金属氯盐、钛酸丁酯及丙烯酸溶液混合共聚,形成了聚合物前躯体,热解后产物即为结晶度良好的负载型TiO2/ATO复合粉体。复合材料中“交错”的双异质结结构及TiO2两相相界面处的协同作用,均促进了电子的层叠式传递。Ti与Sn摩尔比为5:1且SnO2中掺入8.3%的Sb时,所得TiO2/ATO样品的等效能隙最窄,其值为2.79 eV;其导电性能优良,其电阻率为15.42Ω·cm。2)以尿素为沉淀剂,采用均匀沉淀法制备了核壳型TiO2@ATO复合导电粉体。反应温度为92℃,尿素与金属阳离子摩尔比为10:1的情况下,OH释放量及释放速率适中。同时,引入硫酸盐作为催化剂,降低金属阳离子成核能垒,且O42与Cl摩尔比为1:25时,复合粉体的ATO壳层包覆在TiO2表面均匀连续且完整,壳层厚度约为15 nm。当包覆完全时,随着Sb掺杂量增加,复合粉体电阻率降低,Sn与Sb摩尔比达到12:1时,电阻率为3.98Ω·cm,再增加Sb含量,其电阻率变化很小。3)通过配合剂酒石酸络合金属阳离子,辅助均匀沉淀法进一步优化制备了TiO2@ATO复合材料,主要考察了络合剂及沉淀剂配比对复合粉体导电性能的影响。粒径约为12.3nm的氧化锡锑粒子包覆在近球状金红石型TiO2表面,形成完整核壳复合结构,且各组成元素在复合材料中均匀分布。酒石酸在本反应体系中作为中间体配体供体,同时尿素协同调节体系pH。在优化的均匀沉淀制备条件下,酒石酸与锑离子摩尔比为1:1,尿素与锡金属离子摩尔比为5:1时,所制复合粉体电阻率为3.25Ω·cm,其导电性能最佳。
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