CN104528803B - 一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，具体包括将纯铝和纯锌熔炼成合金后进行轧制再进行初次淬火处理、对合金薄片或薄带进行固溶处理后再进行二次淬火处理、然后将其置于NaOH溶液中进行去合金自由腐蚀处理、最后将经过去合金自由腐蚀处理的型材放与陶瓷片上进行加热氧化处理，空冷至室温后即得到ZnO片状多孔纳米材料。本发明的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法选用都为非贵金属且为两性金属的Zn和Al做为合金的两相组成，并选择NaOH做为腐蚀剂，采用去合金自由腐蚀的方法进行制备，制备的材料有较好的机械强度和均匀的层片状结构，层片状结构互相搭接成三维的连通孔结构，形貌纯度高，不含其他形貌的ZnO，且产品在空气中稳定、不易变性。
Description
技术领域
本发明属于纳米无机非金属材料技术领域，具体涉及一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法。
背景技术
氧化锌是一种应用十分广泛的宽禁带半导体材料，其拥有3.37eV带隙宽度和60meV的激子结合能，被广泛应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、涂料、粘合剂、防晒剂以及催化等领域，不仅如此，氧化锌在磁性材料、压电材料以及气体传感材料等方面也有着非常重要的应用价值。
氧化锌的性能强烈依赖于它们的形貌和尺寸，具有多孔层片状结构的纳米氧化锌由于具有了多孔结构和大的比表面积使材料赋予了不可比拟的特殊性能。
申请号为2010100465566、公开号为CN101786651A、公开日为2010.7.28名称为一种片状多孔结构的ZnO纳米粉体的制备方法的发明专利公布了一种向硝酸锌中滴加氨水在磁力搅拌条件下0～80℃反应0.5～3h，后经分离，洗涤，干燥得到交联片状和分散片状的碱式硝酸锌前驱体，最后将前驱体在220℃～500℃烧结0.5～3h均可得到片状多孔氧化锌纳米粉体。该制备方法操作步骤复杂，并且所得产物为粉体。
申请号为200710114004、公开号为CN101177296A、公开日为2008.5.14、名称为片状多孔结构的ZnO纳米粉体的制备方法公布了一种将醋酸锌和尿素混合液置于微波炉中500W～900W下反应30～60min，反应温度为60～95℃，所得混合液经分离，洗涤，干燥得到碱式碳酸锌前驱体，最后将前驱体在400～600℃下焙烧1.5～3h得到多孔氧化锌纳米粉体。该方法操作步骤复杂，并且成本较高。
申请号为2012100538015、公布号为CN102583506A、公布日为2012.7.18、名称为一种多孔微/纳分级结构的ZnO球的制备方法将六水硝酸锌、尿素加入水中，分散均匀；放入高压釜在100～180℃下反应，其中，六水硝酸锌：尿素的摩尔比为1:3～1:6，反应时间为1～6小时；然后放置到室温，依次洗涤，干燥，过滤以得到沉淀；所得沉淀经煅烧，在300～500℃下煅烧30～60分钟，得到多孔微/纳分级结构的ZnO球。该制备过程复杂，并且最终得到的粉体粒径难以控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，解决了现有的ZnO纳米材料制备过程中存在的制备步骤复杂以及成本较高的缺点。
本发明所采用的技术方案是：一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将纯铝和纯锌加热熔炼成合金后轧制成薄片或薄带状后进行初次淬火处理；
步骤二，将步骤一中经过淬火处理的合金薄片或薄带加热进行固溶处理，然后将经过加热固溶处理后的合金薄片或薄带进行二次淬火处理得到型材；
步骤三，将经过步骤二得到的型材置于NaOH溶液中进行自由腐蚀，直到型材表面不再出现气泡为止；
步骤四，将步骤三中经过自由腐蚀后得到的型材放在陶瓷片上一起放入加热炉中加热进行氧化处理，氧化处理完成后空冷至室温即得到ZnO片状多孔纳米材料。
本发明的特点还在于，
步骤一中纯铝的质量分数为40％-70％，纯锌的质量分数为30％-60％。
步骤一中的熔炼温度为680℃-750℃，轧制后的合金薄片或薄带厚度为0.1mm～1mm。
步骤二中固溶处理的温度为380℃-420℃、时间为7h-9h。
初次淬火和二次淬火的淬火液均为水。
步骤三中Al与NaOH的摩尔质量比为1:1-8，自由腐蚀的时间为20h-40h。
步骤四中氧化处理的温度为250℃-325℃、时间为6h-10h。
本发明的有益效果是：本发明的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法解决了现有的ZnO纳米材料制备过程中存在的制备步骤复杂以及成本较高的缺点。本发明的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法选用都为非贵金属且为两性金属的Zn和Al做为合金的两相组成，并选择NaOH做为腐蚀剂，采用去合金自由腐蚀的方法制备出了ZnO片状多孔纳米材料，制备出的材料有较好的机械强度并且所制备的材料在所有区域具有均匀的层片状结构，层片状结构互相搭接成三维的连通孔结构，所制备的材料层片状分布均匀，形貌纯度高，不含其他形貌的ZnO，且产品在空气中稳定、不易变性，其在塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、涂料、粘合剂、防晒剂以及催化等领域具有很高的应用价值。
附图说明
图1是本发明的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法的步骤二中经过固溶处理后的合金薄片或薄带的金相组织图；
图2是本发明的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法制备得到的ZnO片状多孔纳米材料的SEM图；
图3是本发明的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法制备得到的ZnO片状多孔纳米材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明提供的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一，合金的熔炼
称取40g工业纯Al和60g工业纯Zn，将配置好的原料置于坩埚中后一起送入加热炉保持加热温度为680℃进行合金的熔炼，期间不断搅拌使熔融的合金混合均匀，将熔炼后的合金轧制成薄片或薄带并进行淬火处理，其中，轧制后的合金薄片或薄带厚度为0.2mm，淬火液选择水。
步骤二，合金的固溶处理
将步骤一中得到的合金薄片或薄带型材放于坩埚中，连同坩埚一起放于加热炉中在380℃下进行固溶处理9h以保证其组织的均匀性，经过固溶处理后再进行二次淬火后得到型材，淬火液选择水。
步骤三，型材的去合金自由腐蚀处理
称取1g经过步骤二淬火得到的型材，并称取工业纯NaOH0.6g配置成NaOH溶液，铝和NaOH溶液的摩尔比控制在1:1，将型材置于配置好的NaOH溶液中进行去合金自由腐蚀处理，自由腐蚀40h，直到型材表面不再产生明显气泡为止。
步骤四，型材的氧化
将步骤三经过去合金自由腐蚀处理后得到的型材放于陶瓷片上，连同坩埚一起放于加热炉中保持加热温度在325℃下进行氧化处理10h，空冷至室温后即制备得到ZnO片状多孔纳米材料。
实施例2
本发明提供的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一，合金的熔炼
称取50g工业纯Al和50g工业纯Zn，将配置好的原料置于坩埚中后送入加热炉保持加热温度为700℃进行合金的熔炼，不断搅拌使熔融的合金混合均匀，将熔炼的合金轧制成薄片或薄带并进行初次淬火处理，其中，轧制后的合金薄片或薄带的厚度为0.1mm，淬火液选择水。
步骤二，合金的固溶处理
将步骤一得到的合金薄片或薄带型材放于坩埚中，连同坩埚一起放于加热炉中400℃下进行固溶处理8h，保证其组织的均匀性，经过固溶处理后再进行二次淬火，淬火液选择水。
步骤三，型材的去合金自由腐蚀处理
称取1g合金薄片称取工业纯NaOH1.5g，配置成NaOH溶液，铝和NaOH溶液的摩尔比控制在1:2，将型材置于配置好的NaOH溶液中进行去合金自由腐蚀处理，自由腐蚀35h，直到型材表面不再产生明显气泡为止。
步骤四，型材的氧化
将步骤三得到的型材放于陶瓷片上，连同坩埚一起放于加热炉中300℃下进行氧化处理8h，空冷至室温后即制备得到ZnO片状多孔纳米材料。
实施例3
一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一，合金的熔炼
称取55g工业纯Al和45g工业纯Zn，将配置好的原料置于坩埚用加热炉加热中720℃进行合金的熔炼，不断搅拌使熔融的合金混合均匀，将熔炼的合金轧制成薄片或薄带并进行初次淬火处理，其中，轧制后的合金薄片或薄带厚度为0.5mm，淬火液选择水。
步骤二，合金的固溶处理
将步骤一得到的合金薄片或薄带型材放于坩埚中，连同坩埚一起放于加热炉中400℃下进行固溶处理8.5h，保证其组织的均匀性，经过固溶处理后进行二次淬火处理得到型材，淬火液选择水。
步骤三，型材的去合金自由腐蚀处理
称取1g型材，并称取工业纯NaOH3.3g配置成NaOH溶液，铝和NaOH溶液的摩尔比控制在1:4，将型材置于配置好的NaOH溶液中进行去合金自由腐蚀处理，自由腐蚀30h，直到型材表面不再产生明显气泡为止。
步骤四，型材的氧化
将步骤三得到的型材放于陶瓷片上，连同坩埚一起放于加热炉中275℃下进行氧化处理8h，空冷至室温即制备得到ZnO片状多孔纳米材料。
实施例4
一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一，合金的熔炼
称取60g工业纯Al和40g工业纯Zn，将配置好的原料置于坩埚用加热炉加热中720℃进行合金的熔炼，不断搅拌使熔融的合金混合均匀，将熔炼的合金轧制成薄片或薄带并进行初次淬火处理，其中，合金薄片或薄带的厚度为1mm，淬火液选择水。
步骤二，合金的固溶处理
将步骤一得到的薄片或薄带型材放于坩埚中，连同坩埚一起放于加热炉中420℃下进行固溶处理7h，保证其组织的均匀性，加热后进行二次淬火，淬火液选择水。
步骤三，型材的去合金自由腐蚀处理
称取1g合金薄片，并称取工业纯NaOH5.3g配置成NaOH溶液，铝和NaOH溶液的摩尔比控制在1:6，将合金型材薄片置于配置好的NaOH溶液中进行去合金自由腐蚀处理，将步骤二得到的型材置于NaOH溶液中，自由腐蚀25h，直到型材表面不再产生明显气泡为止。
步骤四，型材的氧化
将步骤三得到的型材放于陶瓷片上，连同坩埚一起放于加热炉中250℃下进行氧化处理6h，空冷至室温即制备得到ZnO片状多孔纳米材料。
实施例5
本发明提供的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤一，合金的熔炼
称取70g工业纯Al和30g工业纯Zn，将配置好的原料置于坩埚用加热炉加热中750℃进行合金的熔炼，不断搅拌使熔融的合金混合均匀，将熔炼的合金轧制成薄片或薄带并进行初次淬火处理，其中，合金薄片或薄带的厚度为0.8mm，淬火液选择水。
步骤二，合金的固溶处理
将步骤一得到的合金薄片或薄带型材放于坩埚中，连同坩埚一起放于加热炉中420℃下进行固溶处理7h，保证其组织的均匀性，经过固溶处理后再进行二次淬火得到型材，淬火液选择水。
步骤三，型材的去合金自由腐蚀处理
称取1g的型材，并称取工业纯NaOH8.3g配置成NaOH溶液，铝和NaOH溶液的摩尔比控制在1:8，将合金型材薄片置于配置好的NaOH溶液中进行去合金自由腐蚀处理，自由腐蚀30h，直到型材表面不再产生明显气泡为止。
步骤四，型材的氧化
将步骤三得到的型材放于陶瓷片上，连同坩埚一起放于加热炉中250℃下进行氧化处理6h，即制备得到ZnO片状多孔纳米材料。
本发明的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法选择都为两性金属的Zn和Al做为合金的两相组成，并选择NaOH做为腐蚀剂，通过合金的熔炼，固溶化处理，去合金自由腐蚀处理，氧化烧结制备出了ZnO片状多孔纳米材料，ZnO片状结构均匀，互相搭接成三维的连通孔道结构，具有大的比表面积。图1是本发明步骤二中经过固溶处理后的合金薄片或薄带的金相组织照片，其固溶体组织均匀，只伴随有少量的析出。图2和图3是本发明制备的ZnO片状多孔纳米材料SEM图，从图上清楚地显示了本发明制备的ZnO片状多孔纳米材料的微观形貌图，其结构、形貌清晰。本发明制备的ZnO多孔纳米材料为片状，优于水热法制备得到的粉状ZnO纳米材料；而且，本发明制备得到的ZnO片状多孔纳米材料的纤维微观结构中层片状均匀分布，而传统方法制备得到的ZnO片状多孔纳米材料的纤维微观结构中层片状重叠不均匀。
Claims (3)
1.一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将质量分数为40％-70％的纯铝和质量分数为30％-60％的纯锌加热熔炼成合金后轧制成薄片或薄带状后进行初次淬火处理；
步骤二，将步骤一中经过淬火处理的合金薄片或薄带加热进行固溶处理，所述固溶处理的温度为380℃-420℃、时间为7h-9h，然后将经过加热固溶处理后的合金薄片或薄带进行二次淬火处理得到型材；
步骤三，将经过步骤二得到的型材置于NaOH溶液中进行自由腐蚀，直到型材表面不再出现气泡为止，其中Al与NaOH的摩尔比为1:2、自由腐蚀的时间为35h或Al与NaOH的摩尔比为1:4-8、自由腐蚀的时间为25h-30h；
步骤四，将步骤三中经过自由腐蚀后得到的型材放在陶瓷片上一起放入加热炉中加热进行氧化处理，所述氧化处理的温度为250℃-325℃、时间为6h-10h，氧化处理完成后空冷至室温即得到ZnO片状多孔纳米材料。
2.如权利要求1所述的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的熔炼温度为680℃-750℃，轧制后的合金薄片或薄带厚度为0.1mm～1mm。
3.如权利要求1或2所述的一种ZnO片状多孔纳米材料的制备方法，其特征在于，所述初次淬火和二次淬火的淬火液均为水。
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