邱世杰　王紅宇　王天倚　王浩　何亮

【摘? 要】納米技術(shù)作為現(xiàn)代科學(xué)的一門重要研究課題，被廣泛地應(yīng)用在能源與環(huán)境、信息技術(shù)、產(chǎn)品加工及設(shè)備制造中。本文通過(guò)研究納米材料中的Bi₂S₃來(lái)認(rèn)識(shí)納米材料，實(shí)驗(yàn)以硝酸鉍和硫代乙酰胺為原料，采用水熱法在80℃、12h的條件制備反應(yīng)物，并且通過(guò)SEM進(jìn)行樣品分析。最后對(duì)納米技術(shù)可能產(chǎn)生的不良影響進(jìn)行了討論。

【關(guān)鍵詞】納米材料;硫化鉍;表征分析

一、前言

在當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是人類文明前進(jìn)的源泉和動(dòng)力。國(guó)內(nèi)，先后制定實(shí)施了“國(guó)家攻關(guān)計(jì)劃”、“863”計(jì)劃、“973”計(jì)劃，逐年提高研發(fā)資金使我國(guó)在納米技術(shù)發(fā)明方面的專利申請(qǐng)總量排名世界第三，僅次于美國(guó)和日本?？傊?，納米技術(shù)正在成為下一次工業(yè)革命的關(guān)鍵與焦點(diǎn)，正如錢學(xué)森院士所預(yù)言的那樣：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。”^[1]_。

科學(xué)家逐漸開始積極地深入開展對(duì)于這種納米微小顆粒的化學(xué)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和形態(tài)的科學(xué)研究，隨著現(xiàn)代科學(xué)家用于觀測(cè)和控制物質(zhì)的工具和技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，更多的科學(xué)家掌握控制原子級(jí)或者分子級(jí)別的物質(zhì)的能力，這也就使得人們對(duì)于納米材料有了進(jìn)一步的理解和認(rèn)識(shí)。

在納米尺寸上，物體的各種量子物理、化學(xué)和生物學(xué)特性會(huì)就可能與其他不同類型的塊狀材料有著巨大的差異。^[2]比如納米材料所具備的體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸、量子隧道和介電限域。利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一種頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁屏蔽，隱形飛機(jī)等^[3]。這些特性給納米材料帶來(lái)明顯的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。其中對(duì)于應(yīng)用材料和機(jī)械制造業(yè)、電子和移動(dòng)信息集成技術(shù)、能源環(huán)保等諸多領(lǐng)域已經(jīng)有著重要應(yīng)用。

Bi₂S₃是納米材料中重要的一員，在熱電、光電和紅外光譜學(xué)以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。本文通過(guò)采用水熱法來(lái)研究如何合成Bi₂S₃納米材料。目前關(guān)于Bi₂S₃的報(bào)道也取得不少的成果，Zhao等人制備了一種用于降解污染的硫化鉍光催化劑，該實(shí)驗(yàn)以硝酸鉍和硫脲為原料，以尿素作為礦化劑，低溫水熱反應(yīng)合成結(jié)晶良好的Bi₂S₃樣品，發(fā)現(xiàn)小尺寸棒狀結(jié)構(gòu)在水熱溫度120℃，水熱時(shí)間12h，礦化劑濃度1.0mol/L的條件下的Bi₂S₃對(duì)羅丹明B溶液的降解率可達(dá)92.3%。Zhang等人制備一種硫化鉍/碳和鈦包覆納米管復(fù)合材料以及和石墨烯納米棒復(fù)合材料作為鈉離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)與未經(jīng)包覆的納米管相比有效的解決了材料產(chǎn)生的體積膨脹的問(wèn)題。然后石墨烯的加入使得Bi₂S₃納米棒的分散性很好，沒有產(chǎn)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，提升了材料的導(dǎo)電性能，大大增強(qiáng)了電池的循環(huán)性能。

Bi₂S₃納米材料如何廣泛應(yīng)用不僅與其自身的結(jié)構(gòu)性能有關(guān)，還在一定程度上主要依賴于顆粒尺寸大小和形貌特征。因此本次實(shí)驗(yàn)將通過(guò)制備一種形貌獨(dú)特的Bi₂S₃納米材料，探索它們的合成環(huán)境（如時(shí)間、溫度、配比等）與形貌的相互關(guān)系，并對(duì)樣品進(jìn)行表征分析。

二、實(shí)驗(yàn)方法

用電子天平稱取0.15g硫代乙酰胺，溶于去離子水中，經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?，最后得到溶液A;再用電子天平稱取0.48g硝酸鉍，溶解于N，N-二甲基甲酰胺，攪拌得到溶液B。然后將上述兩種試劑溶液共同混合，放置在裝有磁力鍋的攪拌器中至完全充分溶解。將混合好后的溶液轉(zhuǎn)移至80ml的高壓反應(yīng)釜中，再將其放入80℃的高溫真空加熱的烘箱中繼續(xù)反應(yīng)12h。反應(yīng)結(jié)束等到自然冷卻完成后取出反應(yīng)釜，將得到的綠色液體使用真空抽離，抽離過(guò)程中需要多次進(jìn)行超聲和離心處理。最后將得到的沉淀物置于陰涼干燥處保存。

三、結(jié)果與討論

以硫代乙酰胺和硝酸鉍為原料，80℃、12h水熱反應(yīng)所得產(chǎn)物的SEM圖如圖1所示，由圖可知產(chǎn)物由大小不一的納米花結(jié)構(gòu)組成菊花狀圖像。這些納米花是由長(zhǎng)0.03～0.05μm、直徑15～20nm的單根納米棒從各自的中心點(diǎn)向四周呈放射狀發(fā)散出去。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)原料對(duì)產(chǎn)物的形貌具有明顯的影響，采用CS（NH₂）₂作為硫源來(lái)制備金屬硫化物形貌的生成手段已被研究者普遍使用。實(shí)驗(yàn)中的硫源與溶液中的鉍粒子形成復(fù)合物，這些復(fù)合物將Bi₂S₃包裹起來(lái)使其沿著包裹較弱的方向生長(zhǎng)，形成了從中心發(fā)散的納米棒狀結(jié)構(gòu)，隨后這些納米棒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象成為所觀察到的花狀Bi₂S₃結(jié)構(gòu)。

四、結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)中以硝酸鉍為鉍源，硫代乙酰胺為硫源，在溫度80℃、時(shí)間12h的條件下成功制備出結(jié)晶良好、純度高的Bi₂S₃納米花，并對(duì)其所得產(chǎn)物進(jìn)行SEM分析。

人們通過(guò)對(duì)納米技術(shù)的不斷探索應(yīng)用重新塑造我們的生活方式，推動(dòng)著我們各行各業(yè)的進(jìn)步，產(chǎn)生了廣泛的社會(huì)影響力。但是需要我們注意的是事物的發(fā)展都伴隨雙面性，納米技術(shù)的發(fā)展伴隨著健康和安全問(wèn)題，納米材料制造業(yè)中產(chǎn)生的工業(yè)排放及其納米產(chǎn)品用后的處理給人們健康和生活環(huán)境是否造成不良影響，這些都需要我們仔細(xì)考慮。制定監(jiān)管措施，同時(shí)進(jìn)行潛在問(wèn)題的相關(guān)研究等等辦法才能有效駕馭納米技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱曉彬.納米金顆粒的制備、表征和組裝[D].中國(guó)科學(xué)科技大學(xué)，2015

[2]中國(guó)納米科學(xué)與技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r（自然科研白皮書）

[3]楊奇.一維硫化鉍納米/微米結(jié)構(gòu)的合成及性質(zhì)研究[D].重慶大學(xué)物理學(xué)院，2015