CN102485653A - 一种氧化锌棒状多级结构材料及其电化学制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化锌棒状多级结构材料及其电化学制备方法。该氧化锌棒状多级结构材料是由锥状的主干(长度可达10μm，平均直径1μm)和从主干上长出的锥状侧枝(长度从10nm至1μm)构成，主干和侧枝都是沿氧化锌C轴生长。电化学制备方法是将可溶性锌盐与六亚甲基四胺以低浓度直接溶于去离子水中作为反应溶液。选用钢片、锌片作为阴极，等大小的石墨作为阳极。阴极、阳极在溶液中浸没相同的深度，同时在两电极之间提供1-10mA的恒定电流，则可在导电基底上得到氧化锌棒状多级结构材料。这种方法所用的工艺简单，成本极低，环境友好，便于工业化生产。所制备的氧化锌微/纳米材料在光电子器件、传感器、光催化、太阳能电池等领域有着潜在应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化锌棒状多级结构材料及其电化学制备方法，属于微/纳米材料的制备领域。具体涉及一种由氧化锌微/纳米棒状多级结构材料在导电表面的直接电沉积制备技术，此方法产量大、成本极低，便于工业化推广。
背景技术
氧化锌是一种II-VI族宽禁带的半导体材料，晶体结构为纤锌矿(Wurtzite)六方晶系，禁带宽度为3.37eV，室温下具有较高的激子束缚能(60meV)和较低的电子诱生缺陷。因此，氧化锌在纳米尺度的电子和光电设备中有着潜在的应用。现今已制备出氧化锌“柱”、“线”、“带”、“管”、“梳”等形貌的纳米结构材料。氧化锌微/纳米多级结构材料因为有较大的比表面积，在光电子器件等领域有着更潜在的应用。通常文献中报道的制备氧化锌多级结构材料的方法，需要较高的温度和较长的时间。因此发展一种低温、低成本、大量、迅速的制备氧化锌多级结构材料的方法具有重要的意义。本发明所涉及的氧化锌多级结构材料类似于狼牙棒状，是由锥状的主干(长度可达10μm，平均直径1μm)和从主干上对称长出的锥状侧枝(长度从10nm至1μm)构成。这种结构在国内外均未见报道。
发明内容
本发明采用一种工艺简单、可控、低成本的电化学方法，直接在钢片、锌片上制备氧化锌棒状多级结构材料。
其具体工艺步骤为：
(1)分别准备钢片、锌片基底，并用去离子水、丙酮、无水乙醇清洗其表面。
(2)取等物质量的0.001-0.01摩尔的可溶性锌盐与六亚甲基四胺溶于去离子水中，机械搅拌10-20分钟，得到反应溶液。
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于60℃-90℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到的导电基底作为阴极，用等大小的石墨作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没一定深度，同时在两电极之间提供1-10mA的恒定电流，反应时间为1-20分钟。
(4)反应结束后，将阴极导电基底取出，用去离子水洗涤，干燥。在基底上可得到氧化锌棒状多级结构材料。
附图说明
图1是氧化锌棒状多级结构材料的X射线衍射谱。
图2是氧化锌棒状多级结构材料的扫描电镜照片。
图3是单根氧化锌棒状多级结构材料的透射电镜照片及对应位置的电子衍射。
具体实施方式
本发明的实施例仅用于进一步阐述本发明，而不限制本发明的范围。对于本领域的技术人员对本发明的内容所进行的替代、改动或变更，这些等价形式同样落入本申请所限定的范围内。
实施例1
(1)将锌片切割成2cm×1cm大小，用去离子水清洁表面，分别在洗涤剂、丙酮、无水乙醇中超声清洗10分钟，除去表面的有机物，最后再用去离子水超声清洗；
(2)取0.005摩尔硝酸锌与0.005摩尔六亚甲基四胺溶于去离子水中，机械搅拌10-20分钟，得到反应溶液；
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于80℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到的锌片基底作为阴极，用等大小的石墨作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没1厘米的深度，同时在两电极之间用电化学工作站提供5mA的恒定电流，反应时间为10分钟；
(4)反应结束，将锌片取出，用去离子水洗涤，在空气中自然干燥，即可得到氧化锌棒状多级结构材料。
实施例2
(1)将钢片切割成2cm×1cm大小，用去离子水清洁表面，分别在洗涤剂、丙酮、无水乙醇中超声清洗10分钟，除去表面的有机物，最后再用去离子水超声清洗；
(2)取0.005摩尔硝酸锌与0.005摩尔六亚甲基四胺溶于去离子水中，机械搅拌10-20分钟，得到反应溶液；
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于70℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到钢片作为阴极，用等大小的石墨作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没1厘米的深度，同时在两电极之间用电化学工作站提供5mA的恒定电流，反应时间为10分钟；
(4)反应结束，将钢片取出，用去离子水洗涤，在空气中自然干燥，即可得到氧化锌棒状多级结构材料。
图2(a)为用实施例1方法得到的，在锌片上的氧化锌棒状多级结构材料的扫描电镜照片，表明此种类似于狼牙棒状的多级结构材料产量丰富。是由锥状的主干(长度可达10μm，平均直径1μm)和从主干上对称长出的锥状侧枝(长度从10nm至1μm)构成。图3是锌片上得到的单根氧化锌棒状多级结构材料的透射电镜照片及主干与分支对应位置的电子衍射，表明主干与分支都是沿002晶向生长的。图2(b)为用实施例2方法得到的，在钢片上的氧化锌棒状多级结构材料的扫描电镜照片，此种结构有更光滑的表面与在锌片上得到的结构类似。图1(a)为在钢片上得到的氧化锌棒状多级结构材料的X射线衍射谱，除了在钢片上的衍射峰外，还有纤锌矿较强的002衍射峰。表明此种物质是氧化锌，是沿002晶向择优生长的，与在锌片上得到的结果相符。本发明的关键技术特征在于，在溶液浓度较低时，在阴、阳两电极之间提供的1-10mA的恒定电流，导致阴极较高的负电势(在稳定情况下阴极电势可以达到-3.5V)，氧化锌在较高负电势下的快速生长。同时这种结构材料在国内外均未见报道。
Claims (5)
1.一种氧化锌棒状多级结构材料，其特征在于：所述氧化锌棒状多级结构材料是由锥状的主干(长度可达10μm，平均直径1μm)和从主干上对称长出的锥状侧枝(长度从10nm至1μm)构成。
2.一种氧化锌棒状多级结构材料的电化学制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)准备锌片、钢片导电基底，并用去离子水、丙酮、无水乙醇清洗其表面。
(2)取等物质量的0.001-0.01摩尔可溶性锌盐与六亚甲基四胺溶于去离子水中，机械搅拌，得到反应溶液。
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于60℃-90℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到的导电基底作为阴极，用等大小的石墨作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没一定深度，同时在两电极之间提供1-10mA的恒定电流，反应时间为1-20分钟。
(4)将阴极导电基底取出，用去离子水洗涤，干燥。在基底上可得到氧化锌棒状多级结构材料。
3.按权力要求2所述的氧化锌棒状多级结构材料的电化学制备方法，其特征在于：所述的可溶性锌盐包括硝酸锌、氯化锌、醋酸锌。
4.按权力要求2所述的氧化锌棒状多级结构材料的电化学制备方法，其特征在于：在反应溶液2中可溶性锌盐与六亚甲基四胺溶的浓度为0.001-0.01摩尔。
5.按权力要求2所述的氧化锌棒状多级结构材料的电化学制备方法，其关键技术特征在于：在低浓度电解质溶液中的两电极之间所施加的1-10mA的恒定电流或由此导致的-2V至-5V的阴极电势。
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