水热法硫化镉CdS纳米粒子的合成及表征(3)
3) 表面效应：纳米粒子尺寸小，表面积大，位于粒子表面的原子占很大的比例[10]。随着粒径的减小，表面积急剧增大，导致表面原子数急速增加，物质的性质改变，又称为表面效应。晶粒的表面能和表面张力变大是表面效应带来的最明显的变化。粒径为10nm时，比表面积为600m2/g，粒径为5nm时，比表面积为1200 m2/g，当粒径变小到2nm时，比表面积高达3000 m2/g，这么大的比表面积使得表面原子数增多、配位原子不足，大大增强了纳米粒子的活性。表面效应使纳米粒子表现出一些奇特的现象，如无机材料的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，这也是纳米粒子做吸附剂的原因之一；纳米级的某些金属在空气中会自燃等。
利用纳米粒子的这些效应可以在纳米科学技术上应用更广泛，但这些效应也有其弊端，尤其是表面效应。表面效应使得纳米粒子相比于微米、亚微米粒子更容易团聚[12]，它们表面活性高，单个纳米粒子极不稳定，具有吸附周围粒子而达到稳定的趋势。而粒子的团聚将使得纳米粒子独特的性能丧失，应用效果不佳，这也是纳米粒子制备过程中应注意的问题。
1.2 CdS纳米粒子
硫化镉，分子量144.48g/mol，熔点1750℃，可溶于水和酸，微溶于乙醇，微毒。可用于制焰火、瓷釉、颜料和发光材料。高纯度的硫化镉对可见光有强烈的光电效应，是一种良好的半导体，可用来制作光电管和太阳能电池等光电设备。
硫化镉晶体有两种结构：立方型闪锌矿结构和吹冰方型纤锌矿结构[13]。闪锌矿结构为低温稳定型，立方晶型（如图1），又称作α-CdS，柠檬黄色粉末状，对称性良好；纤锌矿结构则为高温稳定型，吹冰方晶型（如图1），又称作β- CdS，桔红色粉末状，对称性较低，但纤锌矿结构的热力学稳定性比闪锌矿结构较好。
图1 硫化镉晶体结构图（左边为立方闪锌矿结构，右边为吹冰方纤锌矿结构）
CdS是一个典型的Ⅱ-Ⅵ族半导体[14-16]，因为其独特的光电性能、磁性能和催化性能得到了广泛的研究和应用。其禁带宽度较大，为2.42eV。CdS纳米粒子具有优异的发光特性，性能良好的CdS纳米棒在室温下的光致发光量子效率可以达到50％以上，广泛用于发光二极管和红外传感器等。此外对于纳米CdS，随着粒径的减小，在表面效应和量子尺寸效应的影响下，其表面张力变大，能隙变宽，本身的还原能力也变强，本身的吸附性增强，有利于染料的吸附。实验室常用罗丹明B来测试CdS纳米粒子的光催化性能。
1.3 纳米粒子的制备方法
目前，通过各种方法，已经成功制得了包括CdS、CdSe、SiO2、MoS2、Fe2O3等多种纳米粒子。通过对CdS纳米粒子的深入研究，发现制备纳米粒子的方法多种多样，现在已经有了例如水热法，微波法，化学共沉淀法，物理气相沉积，电化学沉积和模板法等合成纳米粒子的方法。
1.3.1 水热法
水热法操作简单，得到的粒子纯度高、晶形好且易控制、分散性好、生产成本较低。JIANXI YAO,LI HONG等人使用不同比例的乙二胺/水作为反应介质，通过水热法合成了CdS纳米粒子[17]。CdCl2•2.5H2O作为镉源，硫脲SC(NH2)2作为硫源[18]。在120℃的高压反应釜中，加热10小时，然后将其迅速冷却至室温。将沉淀物过滤。然后所有的样品用蒸馏水和纯乙醇洗涤数次，以除去过多的硫脲和其它副产物。将样品干燥后在70℃真空烘箱中保持3小时即得CdS纳米粒子。经XRD和光谱分析可得，纳米粒子形状和光致发光强烈依赖于乙二胺/水的比率。随着乙二胺/水比例的上升，得到的CdS纳米棒变短[19]，CdS纳米结构变不规则，光致发光强烈变大。这可能会在新的光学和电子器件的制造中使用。Liu Fu等人[20]通过溶剂热合成的石墨烯/硫化镉纳米复合材料，经罗丹明B测试显示出高效的可见光催化性能。