CN103482681A - 一种制备单分散球状纳米氧化锌的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体无机材料领域，具体地说，涉及的是一种制备单分散球状纳米氧化锌的方法，具体为：称取PEG-6000溶解于蒸馏水中，每1ml蒸馏水加入0.75gPEG-6000,加热搅拌，直至完全溶解；将PEG-6000溶液与0.4M的锌盐溶液混合，于95℃水浴加热，加热的同时搅拌使之充分混合；量取4M的NaOH水溶液，快速加入到混合溶液中，同时剧烈搅拌，95℃恒温水浴，持续搅拌2~4小时；待反应完毕后，冷却至室温，过滤，用乙醇、蒸馏水洗涤，置于烘箱中干燥，获得白色的ZnO粉体。本发明以锌盐、NaOH和PEG-6000为原料，采用一步法制备出粒径约为30nm的球状纳米ZnO，且分散性好，粒径分布窄，在制备性能优良的ZnO电压敏功能材料方面有良好前景。
Description
技术领域
本发明属于半导体无机材料领域，具体地说，涉及的是一种制备单分散球状纳米氧化锌的方法。
背景技术
ZnO是一种重要的多功能半导体材料，其具有3.37eV的直接带隙宽度和较大的激子束缚能60meV，在纳米尺度下，颗粒比表面积急剧增加，使纳米ZnO表现出块体材料所不具备的表面效应、量子尺寸效应等，展现出许多特殊性质；另外，ZnO以其优异性能在半导体氧化物中独占鳌头，广泛应用于气体传感器、压敏电阻和各种光学器件等；通常，ZnO各向异性生长易形成非球形的低维纳米结构，如纳米线、纳米管、纳米带等，不易形成球形的ZnO颗粒, 而对于制备性能优良的ZnO (掺杂Bi、Sb、Co、Mn、Cr等金属氧化物) 电压敏功能材料来说，首先获得形貌接近于球形、粒度小且分布窄的粉体非常关键。
目前，主要采用气相法与液相法来制备纳米氧化锌，如喷雾热解法、电弧等离子体法、溶胶-凝胶法、均相沉淀法、水热法等；气相法虽然制得的产品品质高，但设备昂贵，制作成本高，而且实验条件要求苛刻；与气相法相比，液相法具有工艺简单、操作简便、对设备要求低、容易批量生产等优点，而且合成出的纳米微粒表面活性好、产物组成精确可控，更具有工业化前景；虽然Shuang Xu等人用水热法合成了球形纳米ZnO，但颗粒尺寸较大，达到微米级，而且这种方法需要高温高压，不适合于工业生产；在本研究中我们采用直接一步沉淀法，不需要像传统方法那样先获得前驱体再进行煅烧得到晶体，而是直接在溶液体系中利用表面活性剂控制ZnO颗粒形貌和粒径，成功制备出单分散的类球形纳米ZnO粉体。
本发明中能获得单分散球形纳米ZnO粉体，是由于表面活性剂PEG-6000具有独特的分子结构及合适的分子量，经实验证明低分子量如PEG-400无法辅助形成球形纳米ZnO粉体，而高分子量如PEG-10000，由于分子链过长，在水中出现缠绕，使溶液粘度过大，所以选用中高分子量的PEG-6000作为本发明的分散剂；聚乙二醇的分子式为HO-(CH2CH2O)nH，只有醚键和羟基两种亲水基而无疏水基；在水溶液中呈蛇形，易与纳米粒子表面建立较强的氢键，其氧醚基也易与含氧的粒子表面产生同名离子亲合作用；所以可能是这种氢键和亲合作用使得PEG容易吸附于粒子表面形成一层高分子膜，包围了纳米粒子，而其分子键呈蛇形伸向水溶液中，具有一定厚度，当带同性电荷的粒子相互接近时，静电斥力再加上这层粘稠的高分子膜的空间位阻效应，使得粒子的吸引力大为削弱，起到分散作用。同时，这种表面活性剂同样适用于制备其它球形金属氧化物如Bi2O3、TiO2等。
发明内容
本发明的目的之一是提供单分散球状氧化锌颗粒，得到的球状氧化锌颗粒纯度高，粒径约为30nm。
本发明的另一目的是针对现有技术中存在的缺陷与不足，提出一种球状纳米氧化锌的制备方法，无需煅烧，用液相法直接制备单分散的球状纳米氧化锌。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
第一步，配制浓度为0.4M锌盐水溶液，浓度为4M的氢氧化钠水溶液。
第二步，称取PEG-6000溶解于蒸馏水中，每1ml蒸馏水加入0.75g PEG-6000, 加热搅拌，直至完全溶解。
第三步，将PEG-6000 溶液与0.4M的锌盐溶液混合，PEG-6000 溶液与锌盐溶液的体积比为1：1.5，于95℃水浴加热，加热的同时搅拌使之充分混合。
第四步，量取 4M的NaOH水溶液，快速加入到混合溶液中，PEG-6000溶液与NaOH溶液的体积比为1：2.5, 同时剧烈搅拌，95℃恒温水浴，持续搅拌2~4小时。
第五步，待反应完毕后，冷却至室温，过滤，用乙醇、蒸馏水洗涤，置于烘箱中干燥，获得白色的ZnO粉体。
所述锌盐，选用六水合硝酸锌。
所述剧烈搅拌指搅拌速度调至600~800转/分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1) 以锌盐、NaOH和PEG-6000为原料，用料廉价易得，无需煅烧，大大节约了成本，而且方法简单，不需要大型精密设备，可适用于大规模生产。
(2) 采用一步法制备出粒径约为30nm的球状纳米ZnO，且分散性好，粒径分布窄，在制备性能优良的ZnO电压敏功能材料方面有良好前景。
附图说明
图1为本发明所得球状纳米氧化锌的XRD图：
从XRD图中可以看出，制备获得的ZnO为六方晶系纤锌矿结构，所有的衍射峰均与ZnO的标准图谱（PDF# 65-3411）相吻合，图中未出现Zn(NO3)2，Zn(OH)2 等其他的杂质峰，说明所得产品的纯度很高，窄而尖锐的衍射峰形表明产品的晶化质量很好；
图2、图3为本发明所得球状纳米氧化锌的形貌图：
从TEM图中可以看出，球形ZnO颗粒尺寸均一，分散性较好，粒径约为30nm；
图4 为本发明所得球状纳米氧化锌的红外光谱图：
从图中可以看出，ZnO 表面存在一些有机官能团，如亚甲基等，同时也存在OH-、NO3- 等，这些基团可以使ZnO表面功能化。
具体实施方式
实施例1
配制浓度为0.4M锌盐水溶液，浓度为4M的NaOH 水溶液；将15g PEG-6000溶解于20mL蒸馏水中，加热搅拌，直至完全溶解；将20mL PEG-6000 溶液与30mL锌盐溶液混合，置于250mL圆底烧瓶中，95℃水浴加热，搅拌0.5h；量取 50mLNaOH溶液，快速加入混合溶液中，同时搅拌速度调至600转/分钟，95℃恒温水浴，持续搅拌2.5 h，待反应完毕后，冷却至室温，过滤，用乙醇、蒸馏水洗涤数遍，置于烘箱中60℃干燥6h得到氧化锌粉体。
实施例2
配制浓度为0.4M锌盐水溶液，浓度为4M的NaOH 水溶液，将15g PEG-6000溶解于20mL蒸馏水中，加热搅拌，直至完全溶解，将20mL PEG-6000 溶液与30mL锌盐溶液混合，置于250mL圆底烧瓶中，95℃水浴加热，搅拌0.5h，量取 50mLNaOH溶液，快速加入混合溶液中，同时搅拌速度调至700转/分钟，95℃恒温水浴，持续搅拌3.5h，待反应完毕后，冷却至室温，过滤，用乙醇、蒸馏水洗涤数遍，置于烘箱中60℃干燥6h得到氧化锌粉体，
实施例3
配制浓度为0.4M锌盐水溶液，浓度为4M的NaOH 水溶液，将8g PEG-6000溶解于10.67mL蒸馏水中，加热搅拌，直至完全溶解，将10.67mL PEG-6000 溶液与16mL锌盐溶液混合，置于250mL圆底烧瓶中，95℃水浴加热，搅拌0.5h，量取 26.675mLNaOH溶液，快速加入混合溶液中，同时搅拌速度调至800转/分钟，95℃恒温水浴，持续搅拌4h，待反应完毕后，冷却至室温，过滤，用乙醇、蒸馏水洗涤数遍，置于烘箱中60℃干燥6h得到氧化锌粉体。
实施例4
配制浓度为0.4M锌盐水溶液，浓度为4M的NaOH 水溶液。将20g PEG-6000溶解于26.67mL蒸馏水中，加热搅拌，直至完全溶解，将26.67mL PEG-6000 溶液与40mL锌盐溶液混合，置于250mL圆底烧瓶中，95℃水浴加热，搅拌0.5h，量取 66.68mLNaOH溶液，快速加入混合溶液中，同时搅拌速度调至600转/分钟，95℃恒温水浴，持续搅拌2h，待反应完毕后，冷却至室温，过滤，用乙醇、蒸馏水洗涤数遍，置于烘箱中60℃干燥6h得到氧化锌粉体。
Claims (4)
1.一种制备单分散球状纳米氧化锌的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）配制浓度为0.4M锌盐水溶液，浓度为4M的氢氧化钠水溶液；
（2）称取PEG-6000溶解于蒸馏水中，每1ml蒸馏水加入0.75g PEG-6000, 加热搅拌，直至完全溶解；
（3）将PEG-6000 溶液与0.4M的锌盐溶液混合，PEG-6000 溶液与锌盐溶液的体积比为1：1.5，恒温水浴加热，加热的同时搅拌使之充分混合；
（4）量取 4M的NaOH水溶液，快速加入到混合溶液中，PEG-6000溶液与NaOH溶液的体积比为1：2.5, 同时剧烈搅拌，恒温水浴加热，持续搅拌2~4小时；
（5）待反应完毕后，冷却至室温，过滤，用乙醇、蒸馏水洗涤，置于烘箱中干燥，获得白色的ZnO粉体。
2.如权利要求1所述的一种制备单分散球状纳米氧化锌的方法，其特征在于：所述锌盐为六水合硝酸锌。
3.如权利要求1所述的一种制备单分散球状纳米氧化锌的方法，其特征在于：所述剧烈搅拌指搅拌速度为600~800转/分钟。
4.如权利要求1所述的一种制备单分散球状纳米氧化锌的方法，其特征在于：所述恒温水浴加热的温度为95℃。
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