CN101948129A

CN101948129A - 外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法及其装置

Info

Publication number: CN101948129A
Application number: CN 201010293864
Authority: CN
Inventors: 梁秀娟; 胡小芳; 胡大为; 嵇海旭; 翁星星
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-09-26
Filing date: 2010-09-26
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2030-09-26
Also published as: CN101948129B

Abstract

本发明提供外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法及其装置，该方法包括：在恒温水浴下将NaOH溶液加入反应容器中，并对反应容器持续施加外电场，再将醋酸锌(Zn(Ac)₂·2H₂O)溶液滴入到NaOH溶液中，同时进行搅拌，滴加完成后将该溶液水浴保温一段时间；反应结束后将粉体进行离心分离，洗涤5次后干燥，即获得纳米氧化锌粉体；该装置包括恒温水浴、盛放反应物的反应容器、加料漏斗、可调速搅拌器、两平行电极、高压静电发生器；本发明设备要求低、成本低、操作简单、利用效率高且反应时间短。

Description

外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法及其装置

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法及其装置。

背景技术

纳米氧化锌(ZnO)作为一种新型多功能无机材料，由于其粒子尺寸小，比表面积大，具有明显的表面与界面效应等特点，在化学、光学、生物和电学等方面表现出许多独特优异的物理和化学性能。纳米氧化锌有着广泛的用途。目前，国内外就纳米ZnO的研究报道也很多，在精细陶瓷工业中，利用纳米ZnO抗菌除臭、分解有机物的性能，可制备高档卫生陶瓷洁具。用屏蔽紫外线的功能，在日用化妆品中添加纳米ZnO，有很好的护肤美容作用。利用纳米ZnO比表面积大的特点，可用其作光催化剂和光电材料以及传感器和吸波材料，尤其是在与人类生存和健康密切相关的光催化降解、有机物污染和抗菌方面有着独特的优势。

纤锌矿结构的氧化锌晶体，长度方向上增长比直径方向上增长所需要能量少，生长更快。控制纳米氧化锌的形貌会改变氧锌本体的很多性能，如缺陷浓度、颗粒大小等，而这些因素会在一定程度上提高氧化锌的物理和化学性能。

目前，制备ZnO纳米粒子常用的方法有物理方法和化学方法两大类。物理方法主要有物理粉碎、分子束外延、脉冲激光沉积、微波法、磁控溅射、热分解法等。化学方法主要指通过气相、液相和固相反应来完成。具体的有溶胶-凝胶法、模板法、化学沉淀法等。在国内外材料科学工作者的不懈努力下，现今已经能够用多种方法制备ZnO纳米结构材料，其中包括具有“杆”、“线”、“带”、“环”、“梳”等形貌特征的ZnO纳米结构材料。

专利CN1083538公布了一种利用等离子法生产超细超纯活性氧化锌的工艺及设备，改进了氧化锌的湿法生产工艺，用等离子发生器取代了马弗炉或回转窑，使碱式碳酸锌的焙烧热解、粉碎、细化在发生器内一次完成，实现连续化生产和工艺过程。专利CN1296041公布了一种纳米氧化锌的制备方法，该方法首先制备氧化锌晶种，然后将所获得的晶种加入含锌溶液中，进行异相成核制备前驱体，再将前驱体热处理，从而获得纳米氧化锌粉体。CN 1296916A发明了一种利用锌盐溶液及氢氧化钠作为主要原料，制得氢氧化锌胶体沉淀，经过水热或溶剂热反应，可制得颗粒粒度范围为10～100nm的氧化锌纳米粉体。CN 1192991A公开了一种制备纳米氧化锌的新方法，其技术关键是：以Zn(NO3)2为原料，尿素为均匀沉淀剂，尿素的水解温度在122～126℃之间，反应时间为2～4h，反应物配比(尿素物质的量/硝酸锌物质的量)在2∶1～4∶1之间，并将合成的中间沉淀Zn(OH)2在450～500℃下煅烧2.5～3.5h。

尽管这些方法都合成了超细纳米ZnO粉体，但是它们都存在能耗大、需要进一步焙烧处理、生产周期长的缺点。并且，对环境造成一定的污染，使其受到一定的限制。直接沉淀法制备ZnO纳米粒子设备和操作过程简便，反应在常压条件下进行，反应温度低，反应时间短，适宜于大规模生产不同形貌的ZnO纳米粒子，是一种具有广阔研究前景的方法。但现有技术没法方便快速的调节产物的形貌，而且结晶效果较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法及其装置。在外电场的诱导下，方便快速的调节产物的形貌，而且结晶效果好。

本发明的目的通过下述方案实现：

外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法，包括如下步骤：

(1)在80～90℃的恒温水浴条件下，100molNaOH溶液加入反应容器中；对反应容器两端的两平行电极持续施加电场强度40～70KV/m，再将100ml0.05～0.1mol/L醋酸锌溶液滴入到NaOH溶液中，同时进行搅拌，反应4h后，得到乳白色悬浊液；

(2)对上述乳白色悬浊液，先用去离子水洗涤5次，再用乙醇洗涤5次，离心分离，60℃下真空干燥后得到ZnO纳米粒子。

所述NaOH溶液浓度为0.2～1.5mol/L。

所述醋酸锌溶液以6mL/min的速度加入到NaOH溶液中。

用于实现上述外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法的装置，包括恒温水浴、盛放反应物的反应容器、反应容器、两平行电极、调速搅拌器、高压静电发生器，反应容器及两平行电极置于恒温水浴中，所述反应容器的开口设有密封胶垫，所述调速搅拌器通过密封胶垫的中心孔伸入到反应容器中，且调速搅拌器的搅拌叶片位于反应容器中，所述两平行电极设于反应容器的两端，所述高压静电放电发生器与两平行电极连接，高压静电放电发生器在通电的情况下，为装置提供40～70KV/m的外电场。

反应容器上方设有加料漏斗，加料漏斗下端伸入反应容器内。

上述装置中，还包括一个用于测量反应容器内温度的温度计。

本发明的反应器两端为两平行电极，需正方形状反应容器，采用恒温水浴加热的办法提供热源，通过高压静电发生器施加外电场，本发明可通过改变外电场强度得到特定形貌的纳米粒子。

本发明采用的直接沉淀法工作原理是取一定量的Zn2+溶液置于反应器中，充分搅拌下，加入化学计量的碱液，使Zn2+完全沉淀为Zn(OH)2并保持强碱环境，在一定的温度下，形成纳米级ZnO粒子。反应化学式为：

ZnAc2+2NaOH→ZnO↓+2NaAc+H2O。

本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：本发明所制备纳米ZnO粒子是在外电场的诱导下，采用直接沉淀法制得的。通过调节高压静电发生器的电场强度，控制恒温水浴装置的水浴温度，反应物的滴加速度等，可以方便快速调节产物的形貌。所得的样品，经X-射线衍射(XRD)表征具有六方晶系结构，且结晶良好。经过形貌结构分析可得，外加电场诱导合成后，导致晶体有朝多面体形貌方向生长的趋势，从ZnO纳米粒子形貌调控的机理看，施加外电场可控制粒子形貌，实现规模化生产的途径。本发明具有设备要求低、成本低、操作简单、利用效率高、控制方便和反应时间短等优点。

附图说明

图1为本发明外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法中所使用的装置结构示意图，其中，1-恒温水浴，2-盛放反应物的反应容器，3-加料漏斗，4-可调速搅拌器，5-温度计，6-两平行电极，7-高压静电发生器。

图2为实施例一的ZnO纳米粒子产物SEM图像。

图3为实施例二的ZnO纳米粒子产物SEM图像。

图4为实施例三的ZnO纳米粒子产物SEM图像。

图5为实施例四的ZnO纳米粒子产物SEM图像。

图6为实施例五的ZnO纳米粒子产物SEM图像。

图7为实施例六的ZnO纳米粒子产物SEM图像。

图8为电场强度为50KV对应产物的XRD图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明。

如图1所示，本发明的外电场诱导制备ZnO纳米粒子的装置，包括恒温水浴1、反应容器2、两平行电极6、调速搅拌器4、高压静电发生器7，所述反应容器2的开口设有密封胶垫，反应容器2及两平行电极6置于恒温水浴1中，所述调速搅拌器4通过密封胶垫的中心孔伸入到反应容器2中，且调速搅拌器4的搅拌叶片位于反应容器2中，所述两平行电极6设于反应容器2的两端，所述高压静电放电发生器7与两平行电极6连接。反应容器2上方设有加料漏斗3，加料漏斗3下端伸入反应容器2内。本装置还包括一个用于测量反应容器2内温度的温度计5。

以下再结合例子说明本发明的具体实施。

实施例一：

将100mL 0.2mol/L的NaOH溶液置于反应容器2中，恒温水浴1加热至预定温度80℃，将120mL 0.1mol/L的醋酸锌溶液，以6mL/min的速度，从加料漏斗3匀速滴入到NaOH溶液中，使用可调速搅拌器4匀速搅拌，同时开启高压静电发生器7产生电场(电场强度为50KV)，滴加锌盐水溶液完成，水浴保持该温度反应4h。反应4h后，得到乳白色悬浊液，然后将乳白色悬浊液先用去离子水洗涤5次，再用乙醇洗涤5次，离心分离，60℃下真空干燥24h得到试样---ZnO纳米粒子。如图2所示，所得产物形貌为长柱状结构与针状，晶格轮廓呈现圆柱状。

实施例二：

将100mL 0.2mol/L的NaOH溶液置于反应容器2中，恒温水浴1加热至预定温度80℃，将120mL 0.1mol/L的醋酸锌溶液，以6mL/min的速度，从加料漏斗3匀速滴入到NaOH溶液中，使用可调速搅拌器4匀速搅拌，高压静电发生器7不通电，滴加锌盐水溶液完成，水浴保持该温度反应4h。反应4h后，得到乳白色悬浊液，然后将乳白色悬浊液先用去离子水洗涤5次，再用乙醇洗涤5次，离心分离，60℃下真空干燥24h得到试样---ZnO纳米粒子。如图3所示，所得产物形貌为长柱状结构与堆积的片状结构，中间夹杂着部分无规则多面体结构的颗粒。

实施例三：

将100mL 1.5mol/L的NaOH溶液置于反应容器2中，恒温水浴1加热至预定温度80℃，将120mL 0.1mol/L的醋酸锌溶液，以6mL/min的速度，从加料漏斗3匀速滴入到NaOH溶液中，使用可调速搅拌器4匀速搅拌，同时开启高压静电发生器7产生电场(电场强度为50KV)，滴加锌盐水溶液完成，水浴保持该温度反应4h。反应4h后，得到乳白色悬浊液，然后将乳白色悬浊液先用去离子水洗涤5次，再用乙醇洗涤5次，离心分离，60℃下真空干燥24h得到试样---ZnO纳米粒子。如图4所示，所得产物形貌大多为细长柱状组成的纳米花状结构。

实施例四：

将100mL 1.5mol/L的NaOH溶液置于反应容器2中，恒温水浴1加热至预定温度80℃，将120mL 0.1mol/L的醋酸锌溶液，以6mL/min的速度，从加料漏斗3匀速滴入到NaOH溶液中，使用可调速搅拌器4匀速搅拌，高压静电发生器7不通电，滴加锌盐水溶液完成，水浴保持该温度反应4h。反应4h后，得到乳白色悬浊液，然后将乳白色悬浊液先用去离子水洗涤5次，再用乙醇洗涤5次，离心分离，60℃下真空干燥24h得到试样---ZnO纳米粒子。如图5所示，所得产物形貌为针状结构组成的纳米花状。

综合图2～图5形貌结构分析可得，外加电场诱导合成后，晶体有朝多面体形貌方向生长的趋势。

实施例五：

将100mL 0.2mol/L的NaOH溶液置于反应容器2中，恒温水浴1加热至预定温度80℃，将120mL 0.1mol/L的醋酸锌溶液，以6mL/min的速度，从加料漏斗3匀速滴入到NaOH溶液中，使用可调速搅拌器4匀速搅拌，同时开启高压静电发生器7产生电场(电场强度为5KV)，滴加锌盐水溶液完成，水浴保持该温度反应4h。反应4h后，得到乳白色悬浊液，然后将乳白色悬浊液先用去离子水洗涤5次，再用乙醇洗涤5次，离心分离，60℃下真空干燥24h得到试样---ZnO纳米粒子。如图6所示，所得产物形貌大多为细长柱状结构，中间夹杂着堆积的片状结构。

实施例六：

将100mL 0.2mol/L的NaOH溶液置于反应容器2中，恒温水浴1加热至预定温度80℃，将120mL 0.1mol/L的醋酸锌溶液，以6mL/min的速度，从加料漏斗3匀速滴入到NaOH溶液中，使用可调速搅拌器4匀速搅拌，同时开启高压静电发生器7产生电场(电场强度为20KV)，滴加锌盐水溶液完成，水浴保持该温度反应4h。反应4h后，得到乳白色悬浊液，然后将乳白色悬浊液先用去离子水洗涤5次，再用乙醇洗涤5次，离心分离，60℃下真空干燥24h得到试样---ZnO纳米粒子。如图7所示，所得产物形貌大多为细长柱状结构，中间夹杂着堆积的片状结构。

图8为实施例一对应产物的XRD图，从图8以看出，谱图中存在ZnO衍射峰，与标准卡片(PDF#65-3411)对比后一致。证明产物中的ZnO具有尖晶石结构，为纯净的ZnO。

上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在80～90℃的恒温水浴条件下，100molNaOH溶液加入反应容器中；对反应容器两端的两平行电极持续施加电场强度40～70KV/m，再将100m10.05～0.1mol/L醋酸锌溶液滴入到NaOH溶液中，同时用调速搅拌器进行搅拌，反应4h后，得到乳白色悬浊液；

2.根据权利要求1所述的外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法，其特征在于，所述NaOH溶液浓度为0.2～1.5mol/L。

3.根据权利要求1所述的外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法，其特征在于，所述醋酸锌溶液以6mL/min的速度加入到NaOH溶液中。

4.用于实现权利要求1所述外电场诱导制备ZnO纳米粒子的方法的装置，其特征在于，包括恒温水浴、反应容器、两平行电极、调速搅拌器、高压静电发生器，所述反应容器的开口设有密封胶垫，反应容器及两平行电极置于恒温水浴中，所述调速搅拌器通过密封胶垫的中心孔伸入到反应容器中，且调速搅拌器的搅拌叶片位于反应容器中，所述两平行电极设于反应容器的两端，所述高压静电放电发生器与两平行电极连接，所述高压静电放电发生器产生的电场强度为40～70KV/m。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述反应容器上方设有加料漏斗，加料漏斗下端伸入反应容器内。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括一个用于测量反应容器内温度的温度计。