CN100447089C - 氧化锌纳米管的超声制备方法 - Google Patents

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本发明提供了一种超声技术制备的氧化锌纳米管的超声制备方法，本发明采用超声湿化学方法，首先将硝酸锌和氢氧化钠溶液混合均匀，分别加入溶剂和表面活性剂，再次混合均匀，然后采用超声方法处理，弃掉清液，将较稠溶液进行干燥，得到的粉末用去离子水和无水乙醇清洗，最后得到可以在相当低的温度下探测乙醇气体的氧化锌纳米管。本发明工艺简便，成本较低，产品质量稳定，可以在140℃下可以探测100ppm以下的乙醇气体。

Description

氧化锌纳米管的超声制备方法
(一)技术领域
本发明涉及纳米管制备领域，具体地说是一种超声方法生长合成的可以在相对低的温度F探测浓度为100ppm以下乙醇气体的氧化锌纳米管及其制备方法。
(二)背景技术
氧化锌在常温下的禁带宽度是3.3e V，是典型的直隙宽禁带半导体。由于尺寸效应及其内在的功能性，纳米结构氧化锌具有优异的力学、电学、光学性能。它们在场效应晶体管、发光二极管、气敏传感器、光电量子器件、纳米激光器、平板显示器、太阳能电池等半导体器件上有着重要的应用。此外，它们还可作为抗静电、导电、陶瓷、金属基复合材料的添加剂。因此，纳米氧化锌结构的合成与应用引起了人们广泛的兴趣。而氧化锌纳米管具有特殊的中空结构，它们具有更加广阔的应用前景。到目前为止，可以用许多不同的方法合成氧化锌纳米结构，例如，气相传输法，热蒸发方法，模板生长法，化学气相沉积法等等。但是合成氧化锌纳米管的方法还比较少，尤其是合成大量的、高质量的产品。作为一种重要的气敏材料，一维氧化锌纳米结构可以检测氢气、二氧化氮、乙醇等有毒有害气体。但是到目前为止合成的一维氧化锌纳米结构只有在较高的温度下才能工作，一般在300～400℃之间。因此，由一维氧化锌纳米结构制备的气敏传感器的功耗较高，不能满足一些特殊环境的要求，如煤矿、化工企业对易燃易爆气体的检测。
(三)发明内容
本发明的目的在于利用超声技术，通过控制溶液中表面活性剂的含量，提供一种操作简单、低成本，可以大量生长制备在140℃检测浓度小于100ppm乙醇气体的氧化锌纳米管的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：将硝酸锌和氢氧化钠溶液混合均匀，溶液中硝酸锌和氢氧化钠的摩尔比为1∶10，分别加入溶剂和表面活性剂，溶剂为无水乙醇，以乙烯基二胺为表面活性剂，硝酸锌和氢氧化钠溶液与表面活性剂的体积比为6∶6∶10，再次混合均匀，然后采用超声处理，超声功率为100W，超声时间为45-60分钟，反应液的温度在50-70℃之间，弃掉清液，将较稠溶液进行干燥，得到的粉末用去离子水和无水乙醇清洗，最后得到氧化锌纳米管。
本发明采用超声湿化学方法，以硝酸锌Zn(NO3)2和氢氧化钠NaOH为原料，以水和乙醇为溶剂，以乙烯基二胺(EDA)为表面活性剂，通过控制表面活性剂的用量可以制备氧化锌纳米管。在常温下，将摩尔比为1∶10的硝酸锌和氢氧化钠溶液混合均匀后，分别加入乙醇和表面活性剂，再次混合均匀，然后超声45-60分钟，此时烧杯内的反应液的温度大约在50-70℃之间。弃掉清液，将较稠溶液进行干燥。得到的粉末用去离子水和无水乙醇清洗数次，最后得到氧化锌纳米管产品，所得到的产品可以在相对低的温度下探测乙醇气体。
本发明氧化锌纳米管的乙醇气敏特性可以采用电阻型元件进行测量，其中气敏元件由陶瓷管1、加热丝2和四个电极3组成，见附图1。将氧化锌纳米管样品溶于无水乙醇，形成的浆液均匀涂在陶瓷管1上，烘干，试验环境为室温，湿度在22～30％RH之间。氧化锌纳米管气敏性能的测量仪器是HW-30A气敏元件检测系统，其工作原理如附图2所示。其中，Rs、Rl、Vl分别代表氧化锌的电阻、负载电阻和施加在负载电阻上的电压。氧化锌纳米管对乙醇的灵敏度用S来表示：
S＝Ra/Rg，
其中，Ra和Rg分别代表氧化锌纳米管暴露在空气和乙醇气体中的电阻。
本发明采用了一种新的超声方法，通过控制表面活性剂的含量制备了氧化锌纳米管。其工艺非常简单，可控制性好。合成的氧化锌纳米管可以在相对低的温度下检测100ppm以下的乙醇气体。
(四)附图说明
图1是气敏元件示意图；
图2是氧化锌纳米管气敏特性测试原理图；
图3是制备氧化锌纳米管的X射线粉末仪测量结果；
图4是利用超声新方法合成的氧化锌纳米管的扫描电镜图；
图5是氧化锌纳米管乙醇气敏特性测试结果。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
实施例1：
合成氧化锌纳米管过程：
(1)常温下配置1mol·L-1的硝酸锌和10mol·L-1的氢氧化钠溶液；
(2)分别取6ml硝酸锌溶液和6ml氢氧化钠溶液置于烧杯中，搅拌均匀后加入15ml无水乙醇，搅拌均匀；
(3)然后加入10ml乙烯基二胺将盛有上述溶液的100ml烧杯置于超声清洗机中，其中超声清洗机内的水控制在200ml；
(4)然后在功率为100W的设置下，超声45分钟，此时烧杯内的反应液的温度大约在50℃；
(5)取出烧杯，弃掉上部清液，将底部较稠溶液进行干燥；
(6)将得到的粉末用去离子水和无水乙醇清洗数次，最后得到氧化锌纳米管产品。
结合图3，合成的氧化锌纳米管为纤锌矿结构，如X射线粉末仪测试结果所示。结合图4，纳米管的长度和直径分别约为1.5μm和250nm。
氧化锌纳米管乙醇气敏特性的测量过程：
环境条件：室温，湿度在30％RH。
气敏元件工作温度为140℃时，对醇气体气敏测量结果如附图5所示。在该温度下，氧化锌纳米管可以检测100ppm以下的乙醇气体。这种纳米管气敏传感器对10ppm和100ppm的乙醇气体的灵敏度分别平均约为1.6和3.6。
实施例2：
(1)常温下配置1mol·L-1的硝酸锌和10mol·L-1的氢氧化钠溶液；
(2)分别取60ml硝酸锌溶液和60ml氢氧化钠溶液置于烧杯中，搅拌均匀后加入150ml无水乙醇，搅拌均匀；
(3)然后加入100ml乙烯基二胺将盛有上述溶液的500ml烧杯置于超声清洗机中，其中超声清洗机内的水控制在1000ml；
(4)然后在功率为100W的设置下，超声60分钟，此时烧杯内的反应液的温度大约在70℃；
(5)取出烧杯，弃掉上部清液，将底部较稠溶液进行干燥；
(6)将得到的粉末用去离子水和无水乙醇清洗数次，最后得到氧化锌纳米管产品。其它步骤同实施例1。

Claims (1)

1、一种氧化锌纳米管的制备方法，其特征在于：将硝酸锌和氢氧化钠溶液混合均匀，溶液中硝酸锌和氢氧化钠的摩尔比为1∶10，分别加入溶剂和表面活性剂，溶剂为无水乙醇，以乙烯基二胺为表面活性剂，硝酸锌和氢氧化钠溶液与表面活性剂的体积比为6∶6∶10，硝酸锌浓度为1mol·L-1，氢氧化钠溶液浓度为10mol·L-1，再次混合均匀，然后采用超声处理，超声功率为100W，超声时间为45-60分钟，反应液的温度在50-70℃之间，弃掉清液，将较稠溶液进行干燥，得到的粉末用去离子水和无水乙醇清洗，最后得到氧化锌纳米管。
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一维氧化锌的水热合成及其气敏性能的研究. 刘荣利等.无机材料学报，第21卷第4期. 2006
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纳米ZnO的固相合成及其气敏特性. 沈茹娟等.无机材料学报，第16卷第4期. 2001
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