CN101811728B - 微波法合成花簇状ZnO等级纳米结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波分解单源前驱体制备花簇状ZnO等级纳米结构的方法，属于纳米材料制备领域。本方法首先合成制备ZnO的前驱体Zn(acac)₂·H₂O(acac为乙酰丙酮基负离子)，然后将前驱体溶于乙二胺中，用微波反应器加热分解前驱体溶液即可得到花簇状的ZnO纳米结构。该ZnO花簇是一种等级结构：先由直径为20～30nm的ZnO纳米棒(一级结构)组装成直径400～600nm的纳米棒束(二级结构)，再由纳米棒束组装成ZnO花簇(三级结构)。本发明工艺简单，操作方便，快速高效，重复性好。

Description

微波法合成花簇状ZnO等级纳米结构

技术领域

本发明涉及用微波法分解单源前驱体制备花簇状的ZnO等级纳米结构，属于纳米材料制备领域。

背景技术

ZnO是一种宽禁带的II-VI族半导体化合物，其禁带宽度达3.37eV，并且室温下激子束缚能高达60meV。由于其独特的物理和化学性质，ZnO在工业生产中得到广泛的应用，例如应用于陶瓷、橡胶添加剂、颜料、变阻器、化学传感器和化妆品等。最近，纳米结构的ZnO由于其新颖的性质(如紫外光发射、压电效应和光催化性质)以及其在纳米光电子器件中的潜在应用引起了人们的浓厚兴趣。到目前为止，各种各样的ZnO纳米结构已经被制备出来，如颗粒状、线状、花状、针状、棒状、管状、带状、环状、梳状，片状和四角状等。

纳米ZnO的制备方法包括化学方法和物理方法，如热蒸发法，金属有机化学气相沉积法，溶胶-凝胶法，水热法等。然而，这些方法通常需要较高的反应温度和较长的反应时间。另外，纳米材料的光电性质可以由其尺寸和形貌来调节，合成ZnO等级纳米结构对于光电子纳米器件的研制和对纳米材料生长机理的研究均具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有纳米ZnO制备技术的不足之处，提供一种简单快速的合成花簇状ZnO等级纳米结构的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

(1)合成前驱体Zn(acac)₂·H₂O。

(2)将前驱体加入到乙二胺中，超声形成均一的前驱体溶液。每升乙二胺中溶解的前驱体的质量为11.25g

(3)将前驱体溶液放入微波反应器中，微波加热至110℃，在此温度下回流反应5～15min，后冷却至室温。(4)用高速离心机对反应所得混合物进行离心处理，移去上层清液，将沉淀反复水洗后，再用无水乙醇洗净，直至清液无色，干燥后收集产品。

上述制备方法中，微波加热的功率为450瓦特。

本发明的技术效果体现在：

本发明从反应物和加热方式两方面对传统的溶液法制备ZnO纳米材料工艺进行了改进。首先采用单源前驱体作为反应物，原因在于：它反应条件温和，操作安全，且不需要像多源法一样精确地控制反应物的化学计量比，简化了制备程序。其次，用微波反应器进行加热，微波加热不同于传统加热，传统加热是通过辐射由表及里进行的，而微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热，一般有如下特点：

(1)加热速度快，只需传统方法的1/10～1/100的时间就可完成。

(2)微波加热是物质在电磁场中因本身介质损耗而引起的体积加热，可实现分子水平上的搅拌，从而具有加热均匀、温度梯度小等特性。

(3)由于物质吸收微波能的能力取决于自身的介电特性，因此可对混合物料中的各个组分进行选择性加热，在某些气固相反应中，同时存在气固界面反应和气相反应，气相反应有可能使选择性减小，利用微波选择性加热的特性就可使气相温度不致过高。从而提高反应的选择性。

(4)微波加热无滞后效应，当关闭微波源后，再无微波能量传向物质，利用这一特性可进行对温度控制要求很高的反应

本发明解决了传统制备方法中反应温度高、时间长的不足，操作工艺简单易行，反应时间短，重复性好，易于工业化实施。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程简图。

图2为实施例2制备的花簇状ZnO等级纳米结构的X-射线衍射(XRD)图。其中横坐标为衍射角(2θ)，单位为度(°)，纵坐标为衍射强度，单位为cps。

图3为实施例2制备的花簇状ZnO等级纳米结构的SEM图。可观察到样品由规则的花簇状结构组成。

图4展示了两种典型花簇结构的构造，每一种花簇结构都是由从中心伸展出的束状结构组成，每一个束由直径为20～30nm的ZnO纳米棒所组成，束长0.8～1.2μm，直径400～600nm。

具体实施方式

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明不限于这些实施例。

(1)Zn(acac)₂·H₂O的合成

1、取10g(0.1mol)乙酰丙酮和4g(0.1mol)NaOH溶于50mL水中。

2、在搅拌下慢慢加入用50mL水溶解的14.4g(0.05mol)ZnSO₄·7H₂O。

3、将悬浮液放置1h后，滤出白色沉淀，用水充分洗涤，在空气中干燥。

4、粗产品用100mL含有5mL乙酰丙酮的热乙酸乙酯溶解，然后将其过滤，滤液冷却后，析出针状结晶。

(2)ZnO纳米材料的制备

实施例1：

1、称取0.225g前驱体，加入到20mL乙二胺中，超声使其完全溶解，形成前驱体溶液。

2、将溶液转移到圆底烧瓶中，将其放入微波反应器中，在110℃加热回流5min，加热功率为450W，后冷却到室温。

3、用高速离心机对圆底烧瓶中的混合物进行离心处理，移去上层清夜，将沉淀反复水洗后，再用无水乙醇洗净，直至清液无色，放入烘箱中烘干，收集产品。

实施例2：

(1)Zn(acac)₂·H₂O前驱体的合成同实施例1

(2)ZnO纳米材料的制备

1、称取0.225g前驱体，加入到20mL乙二胺中，超声使其完全溶解，形成前驱体溶液。

2、将溶液转移到圆底烧瓶中，将其放入微波反应器中，在110℃加热回流10min，加热功率为450W，后冷却到室温。

3、用高速离心机对圆底烧瓶中的混合物进行离心处理，移去上层清夜，将沉淀反复水洗后，再用无水乙醇洗净，直至清液无色，放入烘箱中烘干，收集产品。本实验例的XRD图如图2所示，图3为该产品的SEM图，可观察到样品由规则的花簇状结构组成。图4展示了两种典型花簇结构的构造，该ZnO花簇是一种等级结构：先由直径为20～30nm的ZnO纳米棒(一级结构)组装成直径400～600nm的纳米棒束(二级结构)，再由纳米棒束组装成ZnO花簇(三级结构)。每一种花簇结构都是由从中心伸展出的束状结构组成，每一个束长0.8～1.2μm，直径400～600nm。

实施例3：

(1)Zn(acac)₂·H₂O前驱体的合成同实施例1

(2)ZnO纳米材料的制备

1、称取0.225g前驱体，加入到20mL乙二胺中，超声使其完全溶解，形成前驱体溶液。

2、将溶液转移到圆底烧瓶中，将其放入微波反应器中，在110℃加热回流15min，加热功率为450W，后冷却到室温。

3、用高速离心机对圆底烧瓶中的混合物进行离心处理，移去上层清夜，将沉淀反复水洗后，再用无水乙醇洗净，直至清液无色，放入烘箱中烘干，收集产品。

Claims (2)

1.一种花簇状ZnO等级纳米结构的制备方法，其特征在于：将单源前驱体Zn(acac)₂·H₂O溶解在乙二胺中，用微波加热分解该溶液，得到花簇状的ZnO等级纳米结构，工艺步骤如下：

(1)将前驱体加入到乙二胺中，超声形成均一的前驱体溶液，每升乙二胺中溶解的前驱体的质量为11.25g；

(2)将前驱体溶液放入微波反应器中，微波加热的功率为450瓦特，微波加热至110℃，在此温度下回流反应5～15min，后冷却到室温；

(3)用高速离心机对反应所得混合物进行离心处理，移去上层清夜，将沉淀反复水洗后，再用无水乙醇洗净，直至清液无色，干燥后收集产品。

2.如权利要求1所述的一种花簇状ZnO等级纳米结构的制备方法，其特征在于：制备的花簇状ZnO等级纳米结构由直径为20～30nm的ZnO纳米棒组装成直径400～600nm的纳米棒束，再由纳米棒束组装成ZnO花簇。

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