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微米银粉表面碘化改性工艺参数对其形貌的影响 ① 周 健, 汤洪波 (宜春学院 化学与生物工程学院,江西 宜春 336000) 摘 要 以 I2作氧化剂与微米级银颗粒反应,产生 AgI,利用其光敏性使 AgI 分解成纳米银颗粒,最终在微米银颗粒表面负载 Ag/ AgI 纳米团簇,考察了碘银摩尔比、银粉添加方式及后处理曝光方式对微米级银颗粒表面形貌的影响。 结果表明,银粉的形貌与 碘银摩尔比正相关;Ag/ AgI 纳米团簇的形貌与尺寸可通过银粉添加方式及后处理曝光方式进行微调。 当碘银摩尔比为 2 ∶100 时, 经直接添加银粉和再分散曝光法制备的银粉表面纳米团簇的粒径小且分布窄。 关键词 微米银粉; 表面碘化; 碘化银; 光敏性; 纳米团簇 中图分类号 TB302文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2018.05.037 文章编号 0253-6099(2018)05-0144-04 Effect of Parameters of Surface Iodination Process on Morphology of Micro⁃sized Silver Powder ZHOU Jian, TANG Hong⁃bo (College of Chemical and Biological Engineering, Yichun University, Yichun 336000, Jiangxi, China) Abstract I2, as an oxidizing agent, reacted with micro⁃sized silver particles to produce AgI, which was then decomposed into nano silver particle by being exposed to sunshine, with Ag/ AgI nanoclusters generated on the surface of micro⁃sized silver particles. Effects of I/ Ag molar ratio, adding mode of silver powders and exposure method after the reaction on morphology of the modified particles were investigated. Results demonstrated that morphology of the modified particles was positively correlated with I/ Ag molar ratio. Morphology and size of the Ag/ AgI nanoclusters were mainly depended on this parameter, but could be finely tuned by other two parameters. With I/ Ag molar ratio at 2∶100, silver powder prepared by direct addition mode and exposure⁃after⁃redispersion method showed small nanocluster size and narrow size distribution. Key words micro⁃sized silver powder; surface iodination; AgI; photosensitivity; nanocluster 银粉是导电银浆料中不可或缺的导电相,它与玻 璃粉、有机载体均匀混合后得到银浆,被广泛用于诸多 领域。 市售银浆多为厚膜型,其中银粉多为球状,此类 银浆烧结温度为 730~910 ℃ [1-3],因烧结温度高,影响 其性能,限制了其大规模应用。 纳米银颗粒具有优异的低温可烧结性,可诱导微 米银颗粒快速烧结[4-6]。 文献[7]报道将微米级片状 银粉经表面碘化后用于导电胶,发现其烧结与导电性 能大幅度提高。 碘化银具有光敏性,会分解为银与碘单质。 前期 研究成果表明[8],结合银颗粒的表面碘化与碘化银的 光敏性,使微米级银颗粒表面负载 Ag/ AgI 纳米团簇, 助其在 570 ℃烧结成致密烧结膜,大幅提高银浆性能。 鉴于银粉形貌对浆料性能有显著影响,本文对碘银摩 尔比、银粉添加方式和曝光方式对改性颗粒的表面形 貌的影响进行深入探讨。 1 实 验 1.1 微米级银粉的表面碘化 取适量 I2溶于无水乙醇中,制得 I2⁃乙醇溶液;将 准确称量的微米级银粉或 Ag⁃乙醇悬浊液与 I2⁃乙醇溶 液混合,并不断机械搅拌,直至悬浊液颜色不再改变; 待固体颗粒自然沉降完全,倾去上层清液,得湿颗粒。 采取直接曝光法或再分散曝光法对所得颗粒样品曝光 ①收稿日期 2018-03-22 基金项目 江西省青年科学基金项目(20161BAB216097);江西省教育厅科技项目(GJJ161035,GJJ161022) 作者简介 周 健(1981-),女,湖南湘西人,讲师,博士,主要研究方向为复合材料。 第 38 卷第 5 期 2018 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №5 October 2018 ChaoXing 2 h。 将曝光后颗粒依次经去离子水和无水乙醇各洗 涤 3 遍,干燥、过筛,得表面碘化银粉。 颗粒样品直接曝光法将湿颗粒直接在不锈钢盘 中平铺展开,再放置于强烈太阳光下曝晒,期间不断翻 动;颗粒样品再分散曝光法将湿颗粒分散于纯水中, 再置于强烈太阳光下曝晒并机械搅拌。 1.2 表 征 采用 Quanta-200 型(美国 FEI 公司)与 MIRA 3 型(捷克 Tescan 公司)扫描电镜(SEM)观测试样形貌 及尺寸,采用 Technai G2 20 ST 型(美国 FEI 公司)和 JEM-2100F 型(日本 JEOL 公司)透射电镜(TEM)分 析样品微观结构,利用 SEM 和 TEM 配套的 X 射线能 谱仪(EDS)分析样品成分。 2 结果与讨论 2.1 碘银摩尔比对表面碘化银粉形貌及成分的影响 依据化学反应动力学,碘银摩尔比(用 I/ Ag 表 示)对碘与银两种单质间的反应速率、表面碘化银粉 的颜色及碘化银团簇的形态具有较大影响。 因此,考 察了 I/ Ag 对表面碘化银粉形貌和成分的影响。 根据 碘与银的初始用量计算 I/ Ag,其它工艺参数详见表 1。 表 1 银粉表面碘化处理过程的实验参数 实验条件实验参数 溶剂乙醇 银粉加入方式直接倒入 反应温度常温(20~25 ℃) 曝光方式直接曝光 灰黄色的微米级银粉经表面碘化处理后,呈现灰 色、棕色和黑色 3 种颜色。 通过比对发现,粉末的颜色 与 I/ Ag 呈如下关系I/ Ag 较低时,粉末呈灰色或浅棕 色等;反之,粉末多为深褐色或黑色。 图 1 展示了不同 I/ Ag 下制备的表面碘化银粉 SEM 图片。 由图 1 可知,经表面碘化处理后,银粉仍 呈类球状,粒径范围 1~3 μm,分散性好。 这些颗粒的 表面形貌与原银粉差异明显。 当 I/ Ag= 1.2 ∶100 时,有些银颗粒部分表面明显 变得粗糙,被凸起云状团簇覆盖,而其余表面则未有变 化,与未发生表面碘化的银粉颗粒表面相似。 这说明, 此 I/ Ag 下碘的量相对较低,它与一些颗粒表面银原子 反应后被消耗殆尽,导致其余银原子未能与碘反应,而 保持原有形貌。 当 I/ Ag= 2 ∶100 时,银颗粒表面几乎被大小不一 的凸起状团簇所覆盖。 同一颗粒表面上的团簇尺寸相 图 1 I/ Ag 对表面碘化银粉形貌的影响 (a) I/ Ag=1.2∶100; (b) I/ Ag=2∶100; (c) I/ Ag=3∶100; (d) I/ Ag=4∶100; (e) I/ Ag=6∶100; (f) I/ Ag=10∶100 近,而不同颗粒表面的团簇形貌则存在差异,团簇尺寸 约 50~280 nm。 这可能是由碘与银单质较高的反应速 率和两者在分散系中的接触差异造成的。 当银粉直接 投入 I2⁃乙醇溶液后,不同颗粒银粉与 I2接触的位置和 时间有别。 先与 I2接触的银粉消耗掉部分 I2后,I2浓 度必然减小,两者间的反应速率降低,从而造成不同银 粉颗粒表面形态有差异。 当 I/ Ag=4 ∶100 时,反应体系的上清液由 I/ Ag = 3∶100 时的无色变为浅橙色,这表明此 I/ Ag 下,反应 体系中的 I2未被完全消耗。 此外,各银颗粒表面的团 簇仍然形态各异。 当 I/ Ag= 6 ∶100 或更高时,团簇间的形态差异逐 渐消失,一些团簇甚至连成尺寸约 1 μm 的“云层”,银 颗粒也更近似球状。 根据化学反应动力学,当其他反应条件相同时, I/ Ag 越大,两者间的反应速率越大,AgI 的生长速率越 快,更易团聚。 银颗粒表面形成 AgI 后,I2沿孔隙扩 散,继续与下层银粉反应,AgI 团簇则一层层堆积,从 而形成了云层状团簇覆盖于颗粒表面,这导致银颗粒 经碘化处理后,由原本的多面体状逐渐接近球状。 经 541第 5 期周 健等 微米银粉表面碘化改性工艺参数对其形貌的影响 ChaoXing 强烈太阳光曝晒后,这些团簇表层的 AgI 分解,形成 Ag/ AgI 团簇。 I/ Ag 越高,银颗粒表面生成的 AgI 越 多,则光分解产生的纳米银颗粒就越多。 这也解释了 表面碘化银粉颗粒的颜色随 I/ Ag 增加而加深。 利用 SEM 配套的 X 射线能谱仪对碘化银粉进行 分析,所得 EDS 能谱检测结果见图 2。 图 2 中仅显示 了银与碘 2 种元素的特征峰,未见其他杂质峰,这表明 银粉表面碘化过程不引入杂质。 I/ Ag 分别为 2 ∶100 和 6∶100 时,碘的摩尔分数分别为 3.30%与 9.14%,这 说明,I/ Ag 越高,产物中 AgI 残留越多。 图 2 表面碘化银粉的 EDS 能谱图 (a) I/ Ag=2∶100; (b) I/ Ag=6∶100 表面碘化银粉的 TEM 分析见图 3。 由图 3 可知, 当 I/ Ag= 1.2 ∶100 时,银粉颗粒仍然呈较规则的多边 形,大部分边界光滑、平整,但少部分边界连着云团状 物质。 由图 1 和图 2 分析可知,这些云团状物质为 AgI。 结合图 1(a)可知,I/ Ag= 1.2 ∶100 时银粉颗粒表 面的 AgI 生长不均。 图 3 表面碘化银粉 TEM 图片 (a) I/ Ag=1.2∶100; (b) I/ Ag=3∶100 当 I/ Ag=3∶100 时,银粉颗粒似球形,原本光滑平 整的边界已被凸起状团簇所覆盖。 这说明,此 I/ Ag 比 足以使碘与银颗粒表面发生原子反应。 利用 TEM 配套的 X 射线能谱仪对银粉进行分析, 见图 4。 图中仅显示了 Ag 与 Cu 的特征峰,未检出 I 元素。 显然,铜的特征峰源于负载样品的铜网。 此 EDS 结果与图 2 结果不符。 文献[9]研究发现 AgI 对 透射电镜的入射电子束呈高度敏感性,被轰击后会迅 速分解。 这便可解释 TEM⁃EDS 检测结果中未见 I 元 素特征峰的现象。 12842016282432 E / keV Cu Cu Ag Ag 图 4 表面碘化银粉(I/ Ag=3∶100)的 EDS 能谱图 银粉的装填密度是衡量银浆性能的一项重要指 标。 由上述结果可知,随着 I/ Ag 增加,表面碘化银粉 颗粒粒径增加;同时,其装填密度将随之降低。 而且在 烧结过程中,拥有较低熔点的纳米银颗粒先烧结,随后 AgI 会在 550 ℃熔化。 这种行为导致银粉颗粒在玻璃 粉尚未熔化前就大幅收缩,必将对银浆性能产生负面 影响。 考虑到这些因素,并结合前期工作,选择 I/ Ag= 2∶100 为最佳碘银摩尔比,这既能降低微米银粉的烧 结温度,又能避免银浆中银粉装填密度的明显降低。 2.2 银粉添加方式对表面碘化银粉形貌的影响 以 200 mL 乙醇作溶剂,用直接曝光法进行曝光处 理,I/ Ag=2∶100,其他工艺参数同表 1,分别采用直接 添加法和再分散后添加法将银粉加入 I2⁃乙醇溶液中, 制得银粉形貌如图 5 所示。 图 5 不同银粉添加方式所得表面碘化银粉的 SEM 图 (a) 直接添加; (b) 再分散后添加 641矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing 银粉直接添加的过程为将适量银粉快速地投入 200 mL I2⁃乙醇溶液中;再分散后添加的过程为将 100 mL I2⁃乙醇溶液逐滴加入100 mL Ag⁃乙醇悬浊液中。 由图 5 可知,银粉直接添加到 I2⁃乙醇溶液中, Ag/ AgI 团簇尺寸小且均匀;再分散添加时,Ag/ AgI 团簇 尺寸明显增大,平均粒径约为直接添加时的 2~4 倍。 当银粉再分散后添加时,I2⁃乙醇溶液中 I2的浓度为直接 添加法中的2 倍,这应当是 AgI 尺寸增加的直接原因。 2.3 曝光方式对表面碘化银粉形貌的影响 分别采用直接曝光法和再分散曝光法进行银粉的 曝光处理,I/ Ag=2∶100,其它工艺参数同表 1。 2 种曝 光过程中均可观察到固体颗粒颜色由卡其色变化为棕 绿色。 不同曝光方式所得银粉的形貌见图 6。 图 6 不同曝光方法所得表面碘化银粉的 SEM 图片 (a) 直接曝光; (b)再分散曝光 由图 6 可知,2 种曝光方法所得银粉的 Ag/ AgI 形 貌存在明显差异。 直接曝光法所得银颗粒表面的 AgI 团簇呈云朵状,粒径较大、团聚程度高且分布宽;而再 分散曝光法的则多似致密膜层,粒径小、团聚程度低且 分布窄。 在直接曝光法中,银粉被摊开在不锈钢盘中曝晒, 银粉颗粒间距小,太阳光仅能作用于上层颗粒,较难与 下层颗粒接触。 在再分散曝光法中,银粉重新分散于 水中进行曝晒,相比于直接曝光法,银颗粒分散程度大 大提高,颗粒间距、太阳光的透过率及光波与颗粒接触 的面积与效率均大幅增加,AgI 分解率比直接曝光法 中的更高,Ag/ AgI 纳米团簇则形似膜层。 3 结 论 采用表面碘化法负载 Ag/ AgI 纳米团簇于微米级 银粉颗粒表面,发现 I/ Ag、银粉添加方式和曝光方式 对颗粒形貌均有影响。 随着 I/ Ag 增大,银颗粒由类球 形逐渐接近球形,Ag/ AgI 纳米团簇的粒径尺寸也随之 增大。 经直接添加银粉和再分散曝光处理后所得银粉 表面的 Ag/ AgI 团簇比再分散添加银粉和直接曝光处 理后制得银粉的粒径更小且分布更窄。 当 I/ Ag = 2∶100,经直接添加法和再分散曝光制备的银粉较能满 足导电银浆的需求。 参考文献 [1] 郭桂全. 导电银浆中银粉的振实密度对厚膜微结构和电性能的影 响[J]. 材料导报, 2013,27(S2)184-186. [2] 余向磊,甘国友,滕 媛,等. 太阳能电池导电银浆的烧结工艺研 究[J]. 贵金属, 2016,37(S1)75-79. [3] 滕 媛,闫方存,李文琳,等. 银粉形貌及粒径对无铅导电银浆性 能的影响[J]. 稀有金属, 2017,41(11)1273-1278. [4] Che Q D, Yang H X, Liu L, et al. Nanoparticles⁃aided silver front contact paste for crystalline silicon solar cells[J]. J Mater Sci Mater Electron,2013,24(2)524-528. [5] Seo D S, Park S H, Lee J K. Sinterability and conductivity of silver paste with Pb⁃free frit[J]. Current Applied Physics, 2009(9)S72- S74. [6] Park SY, Seo D S, Lee J K. Preparation of Pb⁃free silver paste con⁃ taining nanoparticles[J]. Colloids and Surfaces A Physicochem Eng Aspects, 2008,313-314197-201. [7] Yang C, Xie Y T, Yuen M F, et al. Silver Surface Iodination for En⁃ hancing the Conductivity of Conductive Composites[J]. Advanced Functional Materials, 2010,20(16)2580-2587. [8] Zhou J, Gan W P, Li Y F, et al. A simple and facile iodination meth⁃ od for improving sinterability and electrical conductivity of silver thick films[J]. Journal of Electronic Materials, 2014,43(9)3389-3396. [9] Sfrn G, Geszti O, Radnczi G, et al. TEM study of the structure and morphology of AgI crystals formed on Ag(001), (011) and (111) thin films[J]. Thin Solid Films, 1995,25996-104. 引用本文 周 健,汤洪波. 微米银粉表面碘化改性工艺参数对其形貌 的影响[J]. 矿冶工程, 2018,38(5)144-147. 741第 5 期周 健等 微米银粉表面碘化改性工艺参数对其形貌的影响 ChaoXing
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