CN102602981B - 一种ZnO纳米棒的无毒环保制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种ZnO纳米棒无毒环保的制备方法，该方法采用溶胶凝胶法，采用Ce(NO3)3·6H2O、Zn(NO3)2·6H2O、柠檬酸和乙二醇原料，各种物质的摩尔比为柠檬酸：乙二醇：金属阳离子(Zn2+、Ce3+)的总和＝3：4：1；利用稀土离子铈的催化作用，有效降低ZnO纳米棒的合成温度，并提高ZnO纳米棒的发光质量。

Description

一种ZnO纳米棒的无毒环保制备方法
技术领域
本发明属于一种ZnO纳米棒的制备方法，具体的说是一种ZnO纳米棒无毒环保的制备方法。
背景技术
石英光导纤维、Ⅲ-Ⅴ族半导体材料和GaAs基激光器的发明把人们带入了信息时代，随着信息时代的不断发展，宽禁带半导体材料逐渐成为人们的研究热点。在各种一维纳米结构中，ZnO作为一种直接宽带隙半导体材料，室温下禁带宽度为3.37 eV，激子结合能高达60 meV，可实现室温短波长发光，并且熔点高，有较高的热稳定性和化学稳定性。由于ZnO纳米棒的表面积大，产生了其本体块状材料所不具备的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等，所以ZnO纳米棒在光电、催化、磁性等方面具有许多特殊性能和新用途，加上ZnO原材料资源丰富、价格便宜、无毒无害，对环境没有污染，适合于薄膜的外延生长，在纳光电系统、激光器、低压和短波长光电子器件、场效应晶体管、单电子晶体管、透明导电材料、气敏传感器和荧光器件等方面都具有潜在的应用前景。因此，氧化锌纳米棒材料极有可能成为将来最重要的信息材料。
迄今为止，人们采用气相传输法，脉冲激光沉积法，化学气相沉积法，以及电化学沉积法都可以获得一维ZnO纳米棒。然而，这些方法通常都需要特殊的仪器，在高温的条件下，经过复杂的操作过程才可以制备出材料。溶胶凝胶法具有环保和操作简单的优点而备受人们的亲赖。但是采用该方法生长的ZnO纳米棒，目前根据文献报道的最低生长温度是850oC，这就使得制备成本较高，不利于工业生产。
本发明选择了稀土元素铈作为掺杂杂质，采用溶胶凝胶法与热处理相结合的方法，利用掺杂杂质的催化作用，有效降低了ZnO纳米棒的合成温度，大大降低了生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种ZnO纳米棒的无毒环保制备方法，该方法采用溶胶凝胶法，利用稀土离子铈的催化作用，有效降低ZnO纳米棒的合成温度，并提高ZnO纳米棒的发光质量。
本发明的目的是这样实现的，制备该ZnO纳米棒所采用的原料及其重量配比是：
Ce(NO3)3·6H2O （0.0869g）
Zn(NO3)2·6H2O （2.9154 g）
C6H8O7           （6.3042 g）
C2H6O2           （2.23ml）
本发明制备方法的具体步骤是：将柠檬酸用50ml去离子水溶解形成柠檬酸溶液，将Ce(NO3)3· 6H2O和Zn(NO3)2· 6H2O用100ml去离子水充分溶解后与柠檬酸混合在一起放在搅拌器上室温搅拌二十分钟，形成混合溶液，然后将乙二醇以慢速加入混合溶液中，并不停搅拌混合溶液，此过程需一小时四十分钟，然后将溶胶放入烘箱中，在90oC下恒温干燥六小时成为凝胶，之后将烘箱的温度升到120oC，四小时之后该凝胶成为蓬松的白色粉末状固体。将白色粉末状固体放在白玉坩埚中盖好盖子，在马弗炉中400oC预烧结一小时，得到非晶前躯体，再将此前躯体500oC恒温煅烧六小时，煅烧之后取出本发明目标产品，进行XRD物相测试，测试结果显示本发明的目标产品是ZnO（呈六角纤锌矿结构）,并且没有任何杂相。
本发明的优点：
1、本发明采用传统的溶胶凝胶法在制备的过程中通过添加稀土离子，有效降低了ZnO纳米棒的合成温度（从900℃降到500℃），并且得到了直径较小、发光质量较高的ZnO纳米棒，大大降低了制备ZnO纳米棒的成本，为制备纳米电子器件和纳米光电子器件提供重要的材料。
2、本发明不但操作简单，而且具有环保、经济、便捷、操作简单等优点，易于实现大规模生产，同时该方法制备的纳米棒比未掺杂的尺寸小，发光性能好（见图4），合成工艺安全，具有生物兼容性。
附图说明
图1是本发明ZnO纳米棒的无毒环保制备方法工艺流程图。
图2是现有技术在900℃制备ZnO纳米棒的扫描电镜图。
图3是本发明目标产品铈掺杂ZnO纳米棒的扫描电镜图。
图4（a）是现有技术在900℃制备ZnO纳米棒的光致发光谱图、（b）是本发明目标产品铈掺杂ZnO纳米棒的光致发光谱图。
具体实施方式
本发明所需的原料如下：
硝酸锌（Zn(NO3)2·6H2O，沈阳国药集团化学试剂有限公司）为分析纯；
柠檬酸（C6H7O8·H2O，沈阳第一试剂厂化学试剂）为分析纯；乙二醇（C2H6O2，沈阳国药集团化学试剂有限公司）为分析
纯；
硝酸铈（Ce(NO3)2·6H2O，沈阳国药集团化学试剂有限公司）为分析纯。
如图1所示：首先按比例称量Ce(NO3)3·6H2O（0.0869g）、Zn(NO3)2·6H2O（2.9154 g）、柠檬酸（6.3042 g）和乙二醇（2.23ml）原料，各种物质的摩尔比为柠檬酸：乙二醇：金属阳离子(Ce3+、Zn2+)的总和＝3：4：1。将柠檬酸用50ml去离子水溶解形成柠檬酸溶液，将Ce(NO3)3· 6H2O和Zn(NO3)2· 6H2O用100ml去离子水充分溶解后与柠檬酸混合在一起放在搅拌器上室温搅拌二十分钟，形成混合溶液，然后将乙二醇以慢速加入混合溶液中，在滴定的过程中需不停搅拌混合溶液，此过程需一小时四十分钟，然后将溶胶放入烘箱中，在90oC下恒温干燥六小时成为凝胶，之后将烘箱的温度升到120oC，四小时之后该凝胶成为蓬松的白色粉末状固体。将白色粉末状固体放在白玉坩埚中盖好盖子，在马弗炉中400oC预烧结一小时，得到非晶前躯体，再将此前躯体500oC恒温煅烧六小时，煅烧之后取出本发明目标产品，进行XRD物相测试，测试结果显示本发明的目标产品是ZnO（呈六角纤锌矿结构）,并且没有任何杂相。
采用现有技术900oC制备的ZnO纳米棒和本发明500oC制备的铈掺杂ZnO纳米棒扫描电镜图（见图2），从图2中可以看出900oC制备ZnO纳米棒直径较大约为300nm，长度在1~3μm之间。当反应温度低于900℃时，就不会有纳米棒生成。但是本发明在500℃就合成出ZnO纳米棒，从图3可以看出纳米棒的长度在几微米直径可达100到200nm之间，尺寸明显比900oC制备的ZnO纳米棒小。
图4（a）是现有技术900oC制备的ZnO纳米棒，（b）是本发明500oC制备的铈掺杂ZnO纳米棒室温光致发光谱图。对比两个图我们可以清楚地看到本发明目标产品的紫外峰明显蓝移，而绿光带被抑制。本发明500℃制备的Ce掺杂ZnO纳米棒的Iuv/IDLE（紫外发射和深能级发射的强度比）较大，约为2.06，溶胶凝胶法900oC制备ZnO纳米棒的Iuv/IDLE为0.69。这意味着，本发明的目标产品有较好的光致发光性能，更适合于制备纳米光电子元件。

Claims (1)

1.一种ZnO纳米棒的无毒环保制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①、按比例称量Ce(NO3)3· 6H2O、Zn(NO3)2 · 6H2O、柠檬酸和乙二醇原料，各种物质的摩尔比为柠檬酸：乙二醇：金属阳离子 (Zn2+、Ce3+) 的总和＝3：4：1；
②、将柠檬酸用50ml去离子水溶解形成柠檬酸溶液，将Ce(NO3)3· 6H2O和Zn(NO3)2· 6H2O用100ml去离子水充分溶解后与柠檬酸混合在一起放在搅拌器上室温搅拌二十分钟，形成混合溶液，然后将乙二醇以慢速加入混合溶液中，在滴定的过程中需不停搅拌混合溶液，慢速加入混合溶液所需时间是一小时四十分钟，然后将溶胶放入烘箱中，在90oC下恒温干燥六小时成为凝胶，之后将烘箱的温度升到120oC，四小时之后该凝胶成为蓬松的白色粉末状固体；
③、将②中白色粉末状固体取出，放在白玉坩埚中盖好盖子，在马弗炉中400oC煅烧一小时，得到非晶前躯体，再将此前躯体500oC恒温煅烧六小时，煅烧之后取出本发明目标产品，进行XRD物相测试，测试结果显示本发明的目标产品是呈六角纤锌矿结构ZnO。
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