利用修飾Pechini法製備SnO2 粉末及其性質之研究

(1)

工程科技與教育學刊第七卷第二期民國九十九年四月第 245～249 頁

利用修飾 Pechini 法製備 SnO

2

粉末及其性質之研究

蔡孟容、方馨芸、楊文都 國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系 E-mail: [email protected]

摘要

本研究已修飾 Pechini 技術，由檸檬酸-纖維素和金屬離子配位，形成錯合物，在生成聚酯型態的樹酯 (Polyeter-type resin)中間物，製得奈米鋰電池奈米錫複合陽極材料。以溶膠-凝膠法合成之 SnO2粉末，並配

合 FT-IR、TGA/DTA、SEM 和 XRD 等分析，探討溶膠之重要配製參數，得知其結晶溫度約 400℃，而在 500℃方可得到結晶性良好之陶瓷粉末．以 TGA/DTA 配合 FTIR 觀察前導物在煆燒過程中之化學變化及熱重行為，發現前導物加熱至 300℃時，羧酸根與金屬離子間之鍵結逐漸由架橋配位轉為螫合雙牙配位，由 TGA 發現溫度 700℃左右重量損失幾乎趨於平緩。關鍵詞：溶膠-凝膠法，檸檬酸，纖維素，奈米 SnO2

1. 前言

世界電子產品發展以輕、薄、短、小，且無線化及功能不斷增加，所以需要比以往體積更小，進而結合奈米科技，朝著高移動、高攜帶性、微小性等方向，以致於高性能電池發展，對可攜式電子產品影響甚鉅[1-2]。而過去電池科技發展緩慢，一百年前發展系統至今仍廣為人類利用，不過近年來，許多新型電池商業化，如鎳氫電池、二次鋰電池、二次鋰離子電池等，以及舊式電池，如鉛酸、鎳鎘電池等，亦積極改善提升本身性能，以確保舊有應用市場及擴展新的運用。以防止重金屬污染的環保意識下，鎳鎘電池以漸被取代；鎳氫電池雖無污染問題，但高溫特性差，能量密度亦不高，且有記憶的缺點；而鋰離子電池具有高性能無污染的能源系統，在3C 產品上，已有相當重要的地位。自1997 年富士底片電池科技公司量產不定型錫氧化物為鋰離子二次電的負極材料後，已習為主的負極材料及被廣泛之研究，該材料理論體積密度及重量密度分別為碳材的4 倍及 2 倍[3-4]，反應式如下:

4Li+_+4e-_+SnO

2 → 2Li2O+Sn xLi+_+xe-_{+Sn → Li} xSn ， 0<x<4.4 以檸檬酸及金屬離子配位之溶膠-凝膠技術(sol-gel)，可產生聚酯型態的樹酯(Polyester-type resin)中間物，利用此種多質子檸檬酸以螫屬陽離子加上多官能基的乙二醇聚合的方法，於1967 年由Ｍ.Ｐ.Pechini 發展出來，在這合成方法中乙二醇與檸檬酸莫耳比和合成物有密切關係。雖此合成方法簡單而常廣泛地被應用，但由溶液經溶膠到凝膠的化學行為與變化，相關之報導並不多，值得探討。製備奈米SnO2有很多方法，如沈澱法，溶膠-凝膠法，微波輻射法等。尤其應用 Pechini 製程，將可製備奈米級分散度良好之 SnO2。

2. 實驗方法與步驟

2.1 SnO2粉末之合成 本實驗利用溶膠-凝膠法，合成奈米結構 SnO2。先將不同量檸檬酸(CA)溶於去離子水中，加入固定纖維素(hydroxypropyl cellulose)溶液至澄清檸檬水溶液，再將四氯化錫溶於固定量純水中，加入檸檬酸與纖維素

(2)

蔡孟容、方馨芸、楊文都 249 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 圖5 檸檬酸/金屬離子莫耳比為 1 所製得之前導物於(a)400℃、(b)500℃、(c)600℃、 (d)700℃煆燒 4 小時之 SEM 分析。

4. 結論

本研究應用檸檬酸為螯合劑，利用溶膠-凝膠法合成奈米 SnO2粉末，探討不同粒徑SnO2粉末之反應機構影響，結論如下： I. 以溶膠-凝膠法合成之 SnO2粉末，其結晶溫度約400℃，而在 500℃方可得到結性性良好之陶瓷粉末。

II. 由 TGA/DTA 配合 FTIR 觀察前導物在熱處理的過程之化學變化與熱重損失，由 TGA 分析發現在 400℃已無明顯重量損失，而溫度到 500℃重量損失幾乎趨於平緩。 III. 以 SEM 分析表面性質，結果發現煆燒溫度提高至 600℃時，產物呈現明顯結晶性，提高至 700℃顆粒尺寸呈現增長的趨勢，顆粒大小約為24.5nm，其高溫下原子的遷移速率會增加並且促進顆粒成長。

參考文獻

[1] 林振華，充電式鋰離子電池，台北：全華科技圖書出版社，2001. [2] 陳安莉、洪永益，2001 年奈米技術與分子電子學的重大發現，科學發展月刊，國科會，2002

[3] Ｅ.J.Plichta and W.K Behl,”Rechargeable ambient temperature rocking-chair lithium cell employing a solution of lithium hexafluoroarsenate in acetonitrile as the electrolyte”J.Electrochemical Society,V.140,46(1993)

[4] Fuji Photo Film Co.,Ltd.,Euro.Pat.0,651,450,A1

[5] C. J. Pouchert and J. Behnke,“The Aldrich Library of 13_{C and 1 H FT NMR Spectra”,Vol. 1 1}st_{edition, Aldrich Chemical}

Company, Ine., USA, 814 , 1993.

利用修飾Pechini法製備SnO2 粉末及其性質之研究