CN103675026A - 用于气敏传感器的分级自组装氧化锌微纳结构的制备方法 - Google Patents

用于气敏传感器的分级自组装氧化锌微纳结构的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于气敏传感器的分级自组装ZnO微纳结构（包括微球和花状结构）的制备方法，其特征在于以水溶性锌盐作为制备分级自组装ZnO微纳结构的前驱体，十六烷基溴化铵和抗坏血酸作为模板剂，在碱性条件下生成ZnO沉淀，不需要较长时间的洗涤过程就可得到纯净的分级自组装ZnO微纳结构。本发明方法操作简单，制备出来的ZnO微纳结构尺寸分布均匀，结构可控。该发明制备的分级自组装ZnO微纳结构可用于气敏传感器、光催化分解水或聚合物、太阳电池光阳极等。

Description

用于气敏传感器的分级自组装氧化锌微纳结构的制备方法
技术领域
本发明涉及金属氧化物微纳结构的制备技术，具体是指一种分级自组装ZnO微纳结构（微球或花状结构）的制备方法。
背景技术
ZnO由于具有独特的光学和电学特征，在太阳能电池、气敏元件、透明导电膜、储锂材料等领域具有非常广泛的应用。微纳结构材料由于具有纳米结构，具有比表面积大，具有优异的电、磁、光、力学和化学等宏观特性，作为一种传统的功能材料被广泛应用在气敏材料、光子材料、陶瓷、涂料、催化等众多领域。迄今为止，各种形貌的ZnO如纳米线、纳米棒、纳米带、纳米管、纳米片等已有文献报道。最近几年，关于分级自组装结构微纳材料由于具有大的比表面积，在气敏传感器和光催化领域受到关注，如Z. H. Jing等人利用微波辅助法合成了分级自组装的花状结构ZnO，所得ZnO比表面积大；J. Zhang等人利用水热法合成了三维介孔ZnO结构，这种结构的ZnO表现出很好的气敏响应性，但是这两种方法需要高温退火过程，制备工艺繁琐，成本较高。本发明采用软模板法，通过改变反应体系中十六烷基三甲基溴化铵和抗坏血酸的含量调控ZnO的结构，反应在低温下进行，无需额外的退火即可获得形貌、尺寸均匀的分级自组装ZnO微纳结构，为提高气敏传感器的选择性和灵敏性以及提高金属氧化物光催化活性提供材料基础。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于气敏传感器的分级自组装氧化锌微纳结构的制备方法。
一种用于气敏传感器的分级自组装氧化锌微纳结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）配制浓度为0～1.1 M的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的水溶液；
（2）向溶液中加入1 mmol至5 mmol的锌前驱体和1 克至5 克的抗坏血酸；
（3）将上述溶液加热至50至90度，搅拌10分钟至50分钟后，加入浓度为1 M至5M的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，反应30秒至20分钟后将溶液温度降至室温，将样品离心，得到白色粉末；在40℃～80℃干燥箱中烘干，即可得到分级自组装氧化锌微纳结构；
（4）将制备的分级自组装氧化锌微纳结构材料置于酒精或水中待用；
（5）氧化铝陶瓷管用去离子水、丙酮、氯仿清洗干净，烘干备用；
（6）将分级自组装氧化锌微纳结构材料的悬浮液均匀涂抹在步骤（5）的氧化铝陶瓷管上，将陶瓷管进行封装；
（7）在100℃～300℃下电老化3～15天，制成气敏传感器件。
步骤（2）中所述的锌前驱体为六水合硝酸锌、七水合硫酸锌、二水合醋酸锌、氯化锌中的一种。
本发明的目的是提供一种简单可行的分级自组装微纳结构的制备方法，利用化学溶液法在水溶剂中合成分级自组装ZnO微纳结构，克服了传统合成分级自组装ZnO微纳结构需要高温退火、反应时间长等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1的分级自组装ZnO微球的SEM图。
图2为本发明实施例1的分级自组装ZnO微球的高倍SEM图。
图3为本发明实施例2的分级自组装ZnO花状结构的SEM图。
图4为本发明实施例2的分级自组装ZnO花状结构的XRD图。
图5为本发明实施例3的分级自组装ZnO微球的SEM图。
图6为本发明制备的分级自组装对不同浓度乙醇的气敏响应。
具体实施方式
实施例1：
       称取0.728 g的十六烷基三甲基溴化铵置于烧杯中，向烧杯中加入50 ml的水，待十六烷基三甲基溴化铵溶解后，加入0.891 g的硝酸锌和2.64 g的抗坏血酸，将烧杯中溶液加热至60℃，20分钟后加入20 ml浓度为2.5 mmol的氢氧化钠溶液，反应10分钟后停止加热，将溶液温度降至室温；将白色沉淀离心，用酒精和水洗涤，干燥箱中50℃干燥10小时，得到白色粉末即为分级自组装ZnO微球。
图1给出了分级自组装ZnO微球的SEM图，由图可以看出，微球直径分布在1~2 μm之间；图2为单个ZnO微球的高倍SEM图，由图可以看出，ZnO微球由厚度为十几纳米的纳米片组成。
实施例2：
       称取0.728 g的十六烷基三甲基溴化铵置于烧杯中，向烧杯中加入50 ml的水，待十六烷基三甲基溴化铵溶解后，加入0.891 g的硝酸锌和1.3 g的抗坏血酸，将烧杯中溶液加热至60℃，20分钟后加入20 ml浓度为2.5 mmol的氢氧化钠溶液，反应10分钟后停止加热，将溶液温度降至室温；将白色沉淀离心，用酒精和水洗涤，干燥箱中50℃干燥10小时，得到白色粉末即为分级自组装ZnO花状结构。
图3给出了分级自组装ZnO花状结构的SEM图，由图可以看出，花状结构由直径在50 nm左右的纳米棒组成；图4是分级自组装ZnO花状结构的XRD图，XRD数据结果显示，所得纳米棒为标准六角纤锌矿ZnO，衍射峰与ZnO的标准卡片JCPDS card number 36-1451对应。
实施例3：
向烧杯中加入50 ml的水，待十六烷基三甲基溴化铵溶解后，加入0.891 g的硝酸锌和2.64 g的抗坏血酸，将烧杯中溶液加热至60℃，20分钟后加入20 ml浓度为2.5 mmol的氢氧化钠溶液，反应10分钟后停止加热，将溶液温度降至室温；将白色沉淀离心，用酒精和水洗涤，干燥箱中50℃干燥10小时，得到白色粉末即为分级自组装ZnO微球。
图5给出了ZnO微球的SEM图，由图可以看出，所得ZnO微球由纳米片组成，微球尺寸分布均匀。
图6为实施例1制备的分级自组装ZnO微球对不同浓度乙醇的气敏响应，测试温度为330℃，由图可以看出，当气体浓度从5 ppm增大到500 ppm时，电压响应随之增大，从气敏传感器对100 ppm的气体的响应-恢复曲线可知，响应时将和恢复时间分别为20 s和50 s。 

Claims (2)

1.一种用于气敏传感器的分级自组装氧化锌微纳结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）配制浓度为0～1.1 M的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的水溶液；
（2）向溶液中加入1 mmol至5 mmol的锌前驱体和1 克至5 克的抗坏血酸；
（3）将上述溶液加热至50至90度，搅拌10分钟至50分钟后，加入浓度为1 M至5M的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，反应30秒至20分钟后将溶液温度降至室温，将样品离心，得到白色粉末；在40℃～80℃干燥箱中烘干，即可得到分级自组装氧化锌微纳结构；
（4）将制备的分级自组装氧化锌微纳结构材料置于酒精或水中待用；
（5）氧化铝陶瓷管用去离子水、丙酮、氯仿清洗干净，烘干备用；
（6）将分级自组装氧化锌微纳结构材料的悬浮液均匀涂抹在步骤（5）的氧化铝陶瓷管上，将陶瓷管进行封装；
（7）在100℃～300℃下电老化3～15天，制成气敏传感器件。
2. 根据权利要求1所述的用于气敏传感器的分级自组装氧化锌微纳结构的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的锌前驱体为六水合硝酸锌、七水合硫酸锌、二水合醋酸锌、氯化锌中的一种。
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