一种通过掺杂工程来调节碘铋乙二胺杂化材料形貌、带隙和稳定性的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过掺杂工程来调节碘铋乙二胺杂化材料形貌、带隙和稳定性的方法。本发明专利技术的目的在于对杂化材料(NH3CH2CH2NH3)Bi2I10进行金属元素掺杂来调节其形貌、光学带隙以及稳定性的方法研究，最终获得不同带隙值的杂化材料，进而可应用在有机‑无机杂化钙钛矿太阳能电池以及半导体材料领域。本发明专利技术是针对之前制备的窄带隙有机‑无机低维杂化材料(NH3CH2CH2NH3)Bi2I10的带隙进行一定范围的调节。本发明专利技术具有合成工艺简单、反应条件温和、成本低廉、重复性好、光学带隙比较宽的范围内连续可调、稳定性高等优点，具有较好的产业化前景。

A method to adjust the morphology, band gap and stability of iodine bismuth ethylenediamine hybrid materials by doping Engineering

The invention discloses a method for adjusting the morphology, band gap and stability of iodine bismuth ethylenediamine hybrid material by doping engineering. The purpose of the present invention is to study the method of metal element doping of hybrid material (NH3CH2CH2NH3) Bi2I10 to adjust its morphology, optical band gap and stability, and ultimately obtain hybrid materials with different band gap values, which can be applied in the field of organic-inorganic hybrid perovskite solar cells and semiconductor materials. The invention adjusts the band gap of Bi2I10 of the organic-inorganic low-dimensional hybrid material (NH3CH2CH2NH3) prepared before in a certain range. The invention has the advantages of simple synthesis process, mild reaction conditions, low cost, good repeatability, continuous adjustability in a wide range of optical bandgap and high stability, and has good industrial prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种通过掺杂工程来调节碘铋乙二胺杂化材料形貌、带隙和稳定性的方法
本专利技术涉及一种通过掺杂工程来调节有机-无机杂化材料带隙的方法。
技术介绍
带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。带隙超过2eV的被认为是宽带隙半导体，例如GaN、SiN和ZnO，小于2eV的就是窄带隙。带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低。宽带隙半导体在蓝、紫光和紫外光电子器件，高频、高温、高功率电子器件及场发射器件方面应用广泛。由于窄带隙半导体材料具有优异的吸光性能(一般来说带隙越小吸收光谱范围越广)，因此窄带隙半导体广泛应用于光电领域。窄带隙有机-无机低维杂化材料碘铋乙二胺([NH3CH2CH2NH3]Bi2I10)其光学带隙为1.89eV，具有应用于有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池吸收层的潜力。针对不同的目的，我们可以对材料进行元素掺杂在较宽范围内来调控其光学带隙，进而达到应用需求。特别是能源紧缺的现在，开发转化效率高的材料是解决能源紧缺问题方法之一。而有机-无机杂化材料是一种新型材料，它同时结合了无机物质的稳定性和有机分子的多样性，与单一的有机物或无机物相比，其在力学、光学、电磁学、耐热性和功能化等方面具有明显的性能优势，并且兼具合成方法简单、结构可变等优点。目前大多数有机-无机杂化材料极其不稳定，在空气中易被氧化变质，本工作合成的材料为铋基杂化材料，其稳定性极高，并且其光学带隙在较宽范围内可连续调控，因此开发新型的有机-无机杂化材料具有巨大的应用前景。
技术实现思路
鉴于上述窄带隙材料的应用前景和有机-无机低维杂化材料的巨大优势，本专利技术的目的就是对杂化材料(NH3CH2CH2NH3)Bi2I10进行金属元素掺杂来调节其形貌、带隙和稳定性的方法研究。采用的实验方法是简单易行的水热合成方法，该方法具有周期性短，能制备出质量较高的单晶晶体。所述(NH3CH2CH2NH3)BixM1-xI10的合成方法具体步骤为：(1)用量筒量取10.00～15.00mL乙二胺溶液倒入三口烧瓶中，冰水浴条件下搅拌；(2)向步骤(1)中的三口烧瓶缓慢滴加45.00～60.00mL的浓度为45％氢碘酸溶液，磁力搅拌2～5小时得到悬浊液；(3)将步骤(2)的悬浊液倒入培养皿中，60～80℃条件下鼓风干燥20～30小时，得到白色晶体；(4)将步骤(3)得到的白色晶体用30.00～60.00mL乙醚洗涤2～4次，放入培养皿，随后60～80℃条件下真空干燥20～30小时，得到白色粉末A；其化学反应方程式：NH2CH2CH2NH2+2HI→I(NH3NH2CH2NH3)I(5)称取摩尔比为0.4～2的MIz(MnI2、PbI2、SbI3、CdI2及SnI2)和Bi2O3和加入样品瓶中，随后加入10～35mL的浓度为45％氢碘酸溶液得到棕红色澄清溶液；其中最佳掺杂试剂为SbI3。(6)称取12.0～25.00mmol步骤(4)白色粉末A加入到步骤(5)的棕红色澄清溶液中；(7)将步骤(6)的反应液放入水热反应釜中，在90℃～250℃条件下保温5～30h；冷却至室温，在反应釜底部会生成红色的晶体，即为(NH3CH2CH2NH3)BixM1-xI10晶体；其化学反应方程式：I(NH3NH2CH2NH3)I+XBi2O3+HI+YMIz→(NH3CH2CH2NH3)BixM1-xI10本专利技术具有合成工艺简单、反应条件温和、成本低廉、重复性好、光学带隙比较宽的范围内连续可调、稳定性高等优点，具有较好的产业化前景。附图说明图1为本专利技术(NH3CH2CH2NH3)Bi2I10(a)与(NH3CH2CH2NH3)BixSb1-xI10(b)晶体的数码照片对比图。(实施例1)图2为本专利技术(NH3CH2CH2NH3)BixM1-xI10的紫外光谱图及带隙图谱。图3为本专利技术(NH3CH2CH2NH3)BixM1-xI10的SEM(a)、EDS测试谱图(b、c)和元素及其百分比(d)。具体实施方式实施例1：(1)用量筒量取10.00mL乙二胺溶液倒入三口烧瓶中，冰水浴条件下搅拌；(2)向步骤(1)中的三口烧瓶缓慢滴加45.00mL的浓度为45％氢碘酸溶液，磁力搅拌2小时得到悬浊液；(3)将步骤(2)的悬浊液倒入培养皿中，60℃条件下鼓风干燥20小时，得到白色晶体；(4)将步骤(3)得到的白色晶体用35.00mL乙醚洗涤2次，放入培养皿，随后60℃条件下真空干燥20小时，得到白色粉末A；(5)称取摩尔比为2:1的Bi2O3和碘化锰加入样品瓶中，随后加入10mL的浓度为45％氢碘酸溶液得到棕红色澄清溶液；(6)称取12.00mmol步骤(4)白色粉末A加入到步骤(5)的棕红色澄清溶液中；(7)将步骤(6)的反应液放入水热反应釜中，在90℃条件下保温12h；冷却至室温，在反应釜底部会生成红色的晶体，即为(NH3CH2CH2NH3)BixM1-xI10晶体。实施例2：(1)用量筒量取12mL乙二胺溶液倒入三口烧瓶中，冰水浴条件下搅拌；(2)向步骤(1)中的三口烧瓶缓慢滴加50.00mL的浓度为45％氢碘酸溶液，磁力搅拌4小时得到悬浊液；(3)将步骤(2)的悬浊液倒入培养皿中，70℃条件下鼓风干燥25小时，得到白色晶体；(4)将步骤(3)得到的白色晶体用45.00mL乙醚洗涤3次，放入培养皿，随后75℃条件下真空干燥25小时，得到白色粉末A；(5)称取摩尔比为2:3的Bi2O3和碘化铅加入样品瓶中，随后加入30mL的浓度为45％氢碘酸溶液得到棕红色澄清溶液；(6)称取14.00mmol步骤(4)白色粉末A加入到步骤(5)的棕红色澄清溶液中；(7)将步骤(6)的反应液放入水热反应釜中，在160℃条件下保温15h；冷却至室温，在反应釜底部会生成红色的晶体，即为(NH3CH2CH2NH3)BixM1-xI10晶体。实施例3：(1)用量筒量取15.00mL乙二胺溶液倒入三口烧瓶中，冰水浴条件下搅拌；(2)向步骤(1)中的三口烧瓶缓慢滴加60.00mL的浓度为45％氢碘酸溶液，磁力搅拌5小时得到悬浊液；(3)将步骤(2)的悬浊液倒入培养皿中，80℃条件下鼓风干燥30小时，得到白色晶体；(4)将步骤(3)得到的白色晶体用55.00mL乙醚洗涤4次，放入培养皿，随后80℃条件下真空干燥30小时，得到白色粉末A；(5)称取摩尔比为2:5的Bi2O3和碘化锑加入样品瓶中，随后加入20mL的浓度为45％氢碘酸溶液得到棕红色澄清溶液；(6)称取15.00mmol步骤(4)白色粉末A加入到步骤(5)的棕红色澄清溶液中；(7)将步骤(6)的反应液放入水热反应釜中，在220℃条件下保温20h；冷却至室温，在反应釜底部会生成红色的晶体，即为(NH3CH2CH2NH3)BixM1-xI10晶体。实施例4：(1)用量筒量取15.00mL乙二胺溶液倒入三口烧瓶中，冰水浴条件下搅拌；(2)向步骤(1)中的三口烧瓶缓慢滴加60.00mL的浓度为45％氢碘酸溶液，磁力搅拌5小时得到悬浊液；(3)将步骤(2)的悬浊液倒入培养皿中，80℃条件下鼓风干燥30小时，得到白色晶体；(4)将步骤(3)得到的白色晶体用55.00mL乙醚洗涤4次，放入培养皿，随后80℃条件下真空干燥30小时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过掺杂工程来调节碘铋乙二胺杂化材料形貌、带隙和稳定性的方法，其特征包括以下具体步骤：(1)用量筒量取一定量的乙二胺溶液倒入三口烧瓶中，冰水浴条件下搅拌；(2)向步骤(1)中的三口烧瓶缓慢滴加氢碘酸溶液，磁力搅拌得到悬浊液；(3)将步骤(2)的悬浊液倒入培养皿中，进行干燥、洗涤、重结晶处理，最终得到白色粉末A；(4)分别称取一定摩尔比的Bi2O3和MIZ(掺杂锰、铅、锑、镉和锡元素的碘化物)加入样品瓶中，随后加入一定量的氢碘酸溶液得到棕红色澄清溶液；(5)称取一定量步骤(4)的白色粉末A加入到步骤(5)的棕红色澄清溶液中；(6)将步骤(5)的反应液放入水热反应釜中，在一定的保温时间内反应，最终在反应釜底部会生成红色的晶体，即为(NH3CH2CH2NH3)BixM1‑xI10晶体。

【技术特征摘要】
1.一种通过掺杂工程来调节碘铋乙二胺杂化材料形貌、带隙和稳定性的方法，其特征包括以下具体步骤：(1)用量筒量取一定量的乙二胺溶液倒入三口烧瓶中，冰水浴条件下搅拌；(2)向步骤(1)中的三口烧瓶缓慢滴加氢碘酸溶液，磁力搅拌得到悬浊液；(3)将步骤(2)的悬浊液倒入培养皿中，进行干燥、洗涤、重结晶处理，最终得到白色粉末A；(4)分别称取一定摩尔比的Bi2O3和MIZ(掺杂锰、铅、锑、镉和锡元素的碘化物)加入样品瓶中，随后加入一定量的氢碘酸溶液得到棕红色澄清溶液；(5)称取一定量步骤(4)的白色粉末A加入到步骤(5)的棕红色澄清溶液中；(6)将步骤(5)的反应液放入水热反应釜中，在一定的保温时间内反应，最终在反应釜底部会生成红色的晶体，即为(NH3CH2CH2NH3)BixM1-xI10晶体。2.根据权利要求1所述的一种通过掺杂工程来调节碘铋乙二胺杂化材料形貌、带隙和稳定性的方法，其特征在于所述的方法是在水热合成杂化材料(NH3CH2CH2NH3)Bi2I10的过程中掺入一定量的掺杂元素以使获得的化学组成为(NH3C...

【专利技术属性】
技术研发人员：王吉林，毛文慧，龙飞，郑国源，周炳，莫淑一，陈明光，邹正光，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西,45