CN104649312A - 一种纳米棒组装的氧化锌/硅酸锌核壳型超结构的合成方法 - Google Patents

一种纳米棒组装的氧化锌/硅酸锌核壳型超结构的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，在水热合成条件下，利用溶液中的无机离子之间的相互作用，首先生成ZnO三维超结构，再通过ZnO三维超结构的表面与碱性溶液中的Si反应，形成纳米棒组装的ZnO／ZSO核壳型超结构，其中ZSO为异极矿型硅酸锌，化学式为Zn4Si2O7(OH)2·H2O；纳米棒组装的ZnO／ZSO核壳型超结构为放射状的超结构，其中，ZnO为核，呈次微米棒状，ZSO为壳，呈纳米棒状。与现有技术相比，本发明采用简单的水热合成技术，操作简单，不需要复杂设备，成本低廉；所制得ZnO／ZSO核壳型超结构表面为微纳米复合结构、分布均匀，具有疏水性，在液体运输材料、液体携带材料等方面有应用潜力。

Description

一种纳米棒组装的氧化锌/硅酸锌核壳型超结构的合成方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，尤其是涉及一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法。 
背景技术
纳米材料的成分、形貌、尺寸以及组成单元的微／纳米结构决定材料的物理、化学性质，通过控制材料组成单元的形貌，进而控制材料的性能一直是材料学家关注的热点之一。设计与可控制备不同成分的特定微／纳米结构、并用其构筑超结构材料，可让其具有不同于单个组装单元的、优异的性能。为此，发展合理的方法将不同成分的基本建筑单元构筑成核壳型的微／纳米超结构材料，一直是实现材料功能化与推进实际应用的关键之一。 
由于半导体无机核壳型超结构有着特别的物理化学性质，应用广泛，物理与化学家对于基于无机纳米单元构筑的分级核壳型超结构非常感兴趣。很多学者都在做这方面的研究，传统半导体材料ZnO的研究也非常广泛，多种方法已经用于ZnO分级纳米结构的制备，如化学气相沉积、热蒸发、电化学沉积、液相化学法等。其中，液相化学法，因为制备条件温和、设备简单、产率较大，而广泛的用于合成不同形貌的ZnO复杂纳米结构。如Shi等将Zn箔浸入到Zn(NO3)2与NaOH的混合液中，在太阳光照射下，成功地制备了三种形貌的分级结构，一是棒束组成的花，每一棒束都是由剑形棒平行堆积组成的，棒束呈放射状排布，方向指向花形的中心；二是树形分级结构，以一根棱柱结构的棒为中心、其余的棒是这根棒的分支；三是纳米棒分级结构，这一分级结构的截面为三角形。Yue等采用加热回流的方法，不使用催化剂、有机添加剂与模板，制备了ZnO纳米线与纳米片组装成的花形分级结构。Li等采用水热合成技术，在无催化剂与模板时，处理Zn箔与水合肼的溶液，制备了具有双边梳形的ZnO分级结构，对罗丹明B有较好的催化效果。Liu等通过在反应釜中，处理含有十二烷基磺酸钠的有机无机混合溶剂，制备了直径约400 nm的棒形分级结构，棒的表面为长度约80nm、直径约20nm刺一样的纳米结构。Kar等利用溶剂热技术得到纤锌矿型ZnO纳米管阵列。Yin等以羟甲基纤维素钠盐的二元共聚物为修饰剂，采用水热合成技术，合成了空心双笼状ZnO纳米棒分级结构，而且通过改变水热反应时间、反应温度、反应物浓度等实验参数，可以让双笼的中间部分断开或继续连接，进而得到单笼、双笼、三笼以及通过中间部位连接的多笼结构。然而，上述方法虽然合成了复杂结构的ZnO超结构，但是并没有制备不同成分的核壳型超结构。因此，需要发展一种比较简单方便的方法，制备不同成分纳米单元组装成的、大尺寸的核壳型超结构材料。 
硅酸锌的化学性质稳定、紫外可见区域光透过性良好，是一种理想的基体材料。硅酸锌广泛的应用于钢铁的抗腐蚀保护、荧光粉体材料、阴极射线管、等离子体显示、激光晶体、上转换发光材料以及电致发光器件。尤其是异极矿型(Zn4Si2O7(OH)2·H2O、简称ZSO)硅酸锌是一种活性与选择性很好的催化剂，如合成烯烃／炔烃。硅酸锌的制备方法很多，主要有热蒸发技术、固相反应法、RF磁控溅射法、喷涂热解法、溶胶-凝胶法、聚合物前躯体法以及水热法。Roy等利用化学气相沉积法，从金属有机单源前躯体制备了硅酸锌纳米晶。Zeng等报道了以乙酸锌与四乙基正硅酸盐或硅酸钠为原料、采用水热法成功制备了球形与棒形Zn2SiO4的过程，利用陈化-水热过程、在220℃制备了稻草刷状Zn2SiO4：Mn2+荧光粉。Xiong等研究了在水热过程中，采用表面活性剂与模板合成直径均匀的硅酸锌纳米线技术。虽然，已经有很多种方法用于制备硅酸锌，并且在一定程度上可以控制产品的尺寸与组织，但是还没有一种适宜的方法来制备花状氧化锌／硅酸锌核壳型超结构。因此，有必要开发氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法。 
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、不需要复杂设备的纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法。 
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 
一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，在水热合成条件下，利用溶液中的无机离子之间的相互作用，首先生成ZnO三维超结构，再通过ZnO三维超结构的表面与碱性溶液中的Si反应，形成纳米棒组装的ZnO／ZSO核壳型超结构，其中ZSO为异极矿型硅酸锌，化学式为Zn4Si2O7(OH)2·H2O。 
该方法具体包括以下步骤： 
(1)配制锌离子前驱体溶液，加入反应釜中，搅拌均匀； 
(2)将经过前处理的单晶硅基片浸入上述反应釜中、密封，进行水热反应，反应完成后，自然冷却至室温； 
(3)收集基片，分别用乙醇、去离子水冲洗数次，50～80℃干燥后，得到纳米棒组装的ZnO／ZSO核壳型超结构。 
纳米棒组装的ZnO／ZSO核壳型超结构为放射状的超结构，其中，ZnO为核，呈次微米棒状，ZSO为壳，呈纳米棒状。 
步骤(1)所述的锌离子前驱体溶液由氨水、氢氧化钠和锌盐配制而成，其中锌离子的浓度为0.025-0.15mol／L，氢氧化钠的浓度为0.05-0.3mol／L，氨水的浓度为1.0-4.0mol／L。 
作为优选，步骤(1)所述的锌离子前驱体溶液中，锌离子的浓度为0.1mol/L，氢氧化钠的浓度为0.2mol/L，氨水的浓度为3.0mol／L。所述的锌盐为乙酸锌。 
步骤(1)中，锌离子前驱体溶液加入的体积为反应釜体积的60-85％。 
步骤(2)所述的前处理指对单晶硅基片表面进行超声波清洗，超声波清洗的顺序为分析纯丙酮、无水酒精和去离子水超声清洗各5分钟。 
步骤(2)所述的单晶硅基片表面为100取向。 
步骤(2)所述的水热反应的温度为100-160℃，时间为8-14小时。 
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果： 
(1)本发明采用简单的水热合成技术，操作简单，不需要复杂设备，成本低廉； 
(2)所制得ZnO／ZSO核壳型超结构表面为微纳米复合结构、分布均匀，具有疏水性，在液体运输材料、液体携带材料等方面有应用潜力。 
附图说明
图1为实施例1制得的ZnO／ZSO核壳型超结构的扫描电镜图； 
图2为实施例1制得的ZnO／ZSO核壳型超结构的扫描电镜图； 
图3为实施例1制得的ZnO／ZSO核壳型超结构的XRD图。 
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 
本发明采用水溶液合成技术，通过调配特定的反应前驱体溶液，将单晶硅(Si)基片浸入到装有前驱体溶液的反应釜中，在适当的温度条件下，水热处理一段时间后，在单晶硅基片上会得到ZnO／ZSO核壳型超结构。 
实施例1 
将单晶硅(Si)基片依次经过分析纯丙酮、无水酒精、去离子水超声清洗各5分钟进行前处理。配制氨水(1.0mol／L)、氢氧化钠(0.05mol／L)和锌盐(乙酸锌，0.025mol／L)的透明锌离子前驱体溶液，在聚四氟乙烯材料的反应釜内胆中装入60％体积的锌离子前驱体溶液，搅拌10分钟，将单晶硅(Si)基片水平浸入到反应釜内胆底部，密封；将反应釜至于100℃的烘箱中处理8小时，反应完成后，自然冷却至室温，收集基片，分别用乙醇、去离子水冲洗数次，50℃、干燥3小时，得到ZnO／ZSO核壳型超结构。 
本实施例制得的ZnO／ZSO核壳型超结构的扫描电镜图如图1、图2所示，由图可以看出，纳米棒组装的ZnO／ZSO核壳型超结构为放射状的超结构，其中，ZnO为核，呈次微米棒状，ZSO为壳，呈纳米棒状。本实施例制得的ZnO／ZSO核壳型超结构的XRD图如图3所示。 
实施例2 
将单晶硅(Si)基片依次经过分析纯丙酮、无水酒精、去离子水超声清洗各5分钟，配制氨水(2.0mol／L)、氢氧化钠(0.1mol／L)和锌盐(乙酸锌，0.05mol／L)的透明锌离子前驱体溶液，在聚四氟乙烯材料的反应釜内胆中装入70％体积的锌离子前驱体溶液，搅拌10分钟，将单晶硅(Si)基片水平浸入到反应釜内胆底部，密封；将反应釜至于120℃的烘箱中处理10小时，反应完成后，自然冷却至室温，收集基片，分别用乙醇、去离子水冲洗数次，60℃、干燥3小时，得到ZnO／ZSO核壳型超结构。 
实施例3 
将单晶硅(Si)基片依次经过分析纯丙酮、无水酒精、去离子水超声清洗各5分钟，配制氨水(3.0mol／L)、氧氧化钠(0.2mol／L)和锌盐(乙酸锌，0.1mol／L)的透 明锌离子前驱体溶液，在聚四氟乙烯材料的反应釜内胆中装入80％体积的锌离子前驱体溶液，搅拌10分钟，将单晶硅(Si)基片水平浸入到反应釜内胆底部，密封；将反应釜至于140℃的烘箱中处理12小时，反应完成后，自然冷却至室温，收集基片，分别用乙醇、去离子水冲洗数次，70℃、干燥3小时，得到ZnO／ZSO核壳型超结构。 
实施例4 
将单晶硅(Si)基片依次经过分析纯丙酮、无水酒精、去离子水超声清洗各5分钟，配制氨水(4.0mol／L)、氢氧化钠(0.3mol／L)和锌盐(乙酸锌，0.15mol／L)的透明锌离子前驱体溶液，在聚四氟乙烯材料的反应釜内胆中装入85％体积的锌离子前驱体溶液，搅拌10分钟，将单晶硅(Si)基片水平浸入到反应釜内胆底部，密封；将反应釜至于160℃的烘箱中处理14小时，反应完成后，自然冷却至室温，收集基片，分别用乙醇、去离子水冲洗数次，80℃、干燥3小时，得到ZnO／ZSO核壳型超结构。 

Claims (10)

1.一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，在水热合成条件下，利用溶液中的无机离子之间的相互作用，首先生成ZnO三维超结构，再通过ZnO三维超结构的表面与碱性溶液中的Si反应，形成纳米棒组装的ZnO／ZSO核壳型超结构，其中ZSO为异极矿型硅酸锌，化学式为Zn4Si2O7(OH)2·H2O。
2.根据权利要求1所述的一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)配制锌离子前驱体溶液，加入反应釜中，搅拌均匀；
(2)将经过前处理的单晶硅基片浸入上述反应釜中、密封，进行水热反应，反应完成后，自然冷却至室温；
(3)收集基片，分别用乙醇、去离子水冲洗数次，干燥后，得到纳米棒组装的ZnO／ZSO核壳型超结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，纳米棒组装的ZnO／ZSO核壳型超结构为放射状的超结构，其中，ZnO为核，呈次微米棒状，ZSO为壳，呈纳米棒状。
4.根据权利要求2所述的一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，步骤(1)所述的锌离子前驱体溶液由氨水、氢氧化钠和锌盐配制而成，其中锌离子的浓度为0.025-0.15mol／L，氢氧化钠的浓度为0.05-0.3mol／L，氨水的浓度为1.0-4.0mol／L。
5.根据权利要求4所述的一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，步骤(1)所述的锌离子前驱体溶液中，锌离子的浓度为0.1mol／L，氢氧化钠的浓度为0.2mol／L，氨水的浓度为3.0mol／L。
6.根据权利要求4所述的一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，所述的锌盐为乙酸锌。
7.根据权利要求2所述的一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，步骤(1)中，锌离子前驱体溶液加入的体积为反应釜体积的60-85％。
8.根据权利要求2所述的一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，步骤(2)所述的前处理指对单晶硅基片表面进行超声波清洗，超声波清洗的顺序为分析纯丙酮、无水酒精和去离子水超声清洗各5分钟。
9.根据权利要求2所述的一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，步骤(2)所述的单晶硅基片表面为100取向。
10.根据权利要求2所述的一种纳米棒组装的氧化锌／硅酸锌核壳型超结构的合成方法，其特征在于，步骤(2)所述的水热反应的温度为100-160℃，时间为8-14小时。
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