CN104843765B - 一种碳包覆铁掺杂氧化锌及其快速合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新材料、新能源及半导体领域，特别涉及一种碳包覆铁掺杂氧化锌（ZnO:Fe）及其快速合成方法。包括如下步骤：称取可溶性的锌盐、铁盐、有机燃料及燃烧助剂，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液；将溶液加热到50‑100 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态；将凝胶加热到180‑290 ℃，凝胶发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末；将所得粉末加入到溶剂中清洗干燥，即得高纯目标材料。本发明所得ZnO:Fe结晶质量高，具有很强的吸光能力，有望在高效光催化、光探测、太阳能电池、稀磁半导体器件等领域应用；而且黑色的碳增强了导电能力，将在锂离子电池、超级电容器等器件中得到应用。本发明的工艺成本低，避免了通常的多步复杂工艺、工艺周期长或昂贵设备等，适合工业化大规模生产。

Description

一种碳包覆铁掺杂氧化锌及其快速合成方法
技术领域
本发明属于新材料、新能源及半导体领域，特别涉及一种碳包覆铁掺杂氧化锌（ZnO:Fe）及其快速合成方法，碳包覆铁掺杂氧化锌在光催化、锂离子电池、太阳能电池及稀磁半导体器件等多个领域有重要应用前景。
背景技术
氧化锌(ZnO)具有优异的光电磁性能和催化性能，成为无机材料领域中的研究热点。 ZnO是一种Ⅱ－Ⅵ族宽带隙半导体材料，室温时带宽可达3. 37eV，有很大的激子束缚能(60mev)，具有优良的化学性质、热稳定性、良好的发光和光电转换等性能，使得其在众多领域有着广泛的潜在应用，可以用于发光材料、光电转换材料、涂料及日用化工材料。近年来，ZnO在新能源领域的应用也越来越广泛，例如ZnO可以用于高效光催化降解污染物、太阳能电池关键材料、白光发光二极管材料及压电转换机械能等。
稀磁半导体可以将磁性的效能与半导体的功能相结合，在高密度非易失性存储器、磁光感应器、自选量子计算等领域有广阔的应用前景。此外，稀磁半导体具有较高的自旋注入效率，为自旋场效应晶体管、自选发光二极管、自旋阀等新型自旋电子器件提供了理想的材料支撑，已经成为材料领域的研究热点。ZnO基稀磁半导体不仅具有半导体的光电特性，而且具有新颖的磁电和磁光特性，已经成为新功能材料领域的研究热点。其中，掺杂铁的氧化锌（ZnO:Fe）近年来得到了广泛的研究。
目前制备ZnO材料的方法多种多样。单就ZnO粉末的制备方法就包括固相法、液相法和气相法三大类。近年来，液相方法日益引起了广泛的关注和迅速的发展，例如溶胶-凝胶法、沉淀法、水热法、喷雾热解法等。然而这些方法通常需要昂贵的仪器、严格的实验条件、和/或者较长的反应时间。因此，寻找一种低成本、快速、高效的制备技术，对于ZnO材料在各种领域的大规模应用是极为重要和迫切的。
近年来发展的液相燃烧合成法，具有能效高、合成产物粒径小、可快速制备纳米粉体等优点，引起了人们的极大关注。用液相燃烧法来合成纳米粉体的研究报道有许多。例如，公开号为CN102502779A的中国发明专利公开了一种载银氧化锌纳米复合粉体的快速制备方法：以可溶性锌盐、银盐、尿素为主要原料，柠檬酸为助剂，混合研磨至浆状，在600～900℃的温度条件下煅烧30s～2min，待燃烧过程完毕后收集燃烧产物，即得载银氧化锌纳米复合粉体。公开号为CN101172641B的中国发明专利公开了一种肤色纳米氧化锌的快速制备方法：以可溶性锌盐为主要原料，以富氮铵盐为主要燃料，将可溶性锌盐、富氮铵盐以及少量助燃剂按一定比例混合成膏状物，将混合膏状物放入预先加热到600～900℃的容器中，待燃烧过程完毕后收集燃烧产物即得絮状肤色纳米氧化锌粉体。公开号为CN102180513B的中国发明专利公开了一种六棱锥结构氧化锌的低温燃烧合成制备方法：以硝酸锌为锌源，加入乙酸铵和硝酸铵为反应辅助原料，加去离子水研磨成胶态物质，用超声波处理器超声分散后放入550～650℃的马弗炉中燃烧合成，研磨后在400～700℃退火3小时，即得六棱锥结构氧化锌。
由上述发明专利可以看出，虽然燃烧法可以降低了结晶温度，但目前的燃烧法还是多以高温（高于300℃）引燃前驱体燃烧为主；如果低温引燃，通常需要高温退火（高于300℃）。这与人们期望的低温燃烧法还有一定的距离。而实质的低温燃烧对于工业化生产具有重要的意义：不仅设备简单，而且成本也大大降低。另外，目前黑色ZnO的单步合成还鲜有报道。因此，发展新的低温液相技术直接合成黑色ZnO多功能材料具有极强重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳包覆铁掺杂氧化锌（ZnO:Fe）及其空气中低温燃烧制备方法，实现ZnO:Fe的快速高效制备，更易于大规模生产和应用。本发明的创新点主要在于：1. 发展了新的低温燃烧方法单步合成高度结晶的ZnO:Fe；2. 合成的ZnO:Fe呈现黑色，这与通常的ZnO（多为白色）有根本区别。
本发明的技术方案，具体包括以下步骤：
(1) 称取可溶性的锌盐、铁盐、有机燃料及燃烧助剂，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。
( 2) 将溶液加热到50-100 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。
(3) 将凝胶加热到180-290 ℃，凝胶发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。
(4) 将所得粉末加入到溶剂中清洗干燥，即得高纯目标材料。
本发明所述制备方法的步骤(1)中，所述的可溶性的锌盐为硝酸锌、氯化锌、硫酸锌或乙酸锌中的一种或两种以上。
本发明所述制备方法的步骤(1)中，所述的所述的可溶性的铁盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁、或硫酸高铁铵中的一种或两种以上。
本发明所述制备方法的步骤(1)中，所述的有机燃料为柠檬酸、甘氨酸或尿素中的一种或两种以上，所加有机燃料的摩尔数为Zn和Fe离子摩尔数的0.4-0.9倍。
本发明所述制备方法的步骤(1)中，所述的燃烧助剂为硝酸铵，所加硝酸按的摩尔数为Zn和Fe离子摩尔数的0. 01-1倍。
本发明所述制备方法的步骤(3)中，所述的凝胶也可通过明火或微波引燃，再发生自蔓延燃烧。
本发明所述制备方法的步骤(4)中，所述的清洗溶剂为去离子水、乙醇、丙醇、丙酮等的一种或两种以上。
本发明的有益效果是：本发明工艺简单容易操作，原料廉价易得，所制备的ZnO:Co结晶质量高，并且呈现黑色，具有很强的吸光能力，特别易于吸收红外光，有望在高效光催化、光探测、太阳能电池等领域应用；而且黑色的碳增强了其导电能力，将在锂离子电池、超级电容器等器件中得到应用。通过本发明的工艺可以避免通常的多步复杂工艺、工艺周期长或昂贵设备等，成本低，适合工业化大规模生产。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1为实施例之一的黑色碳包覆ZnO:Fe的X-射线衍射图谱，由图可确证这是六方结构的ZnO。
附图2是实施例之一的黑色碳包覆ZnO:Fe的扫描电子显微镜照片；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
分别称取1.5 g硝酸锌、0.4 g硝酸铁、0.7 g柠檬酸及0.1 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到80 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到250 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到乙醇中清洗，干燥，得到高纯碳包覆ZnO:Fe粉末。
实施例2：
分别称取1.5 g硝酸锌、0.25 g氯化铁、1 g柠檬酸及0.2 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到100 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到180 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到乙醇中清洗，干燥，得到高纯碳包覆ZnO:Fe粉末。
实施例3：
分别称取0.7 g氯化锌、0.1 g硫酸铁、0.4 g甘氨酸及0. 4 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到50 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到290 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到去离子水中清洗，干燥，得到高纯碳包覆ZnO:Fe粉末。
实施例4：
分别称取0.8 g硫酸锌、0.4 g氯化亚铁、0.3 g尿素及0. 5 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到100 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到200 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到乙醇中清洗，干燥，得到高纯碳包覆ZnO:Fe粉末。
实施例5：
分别称取0.7 g氯化锌、0.2 g硫酸亚铁、0.2 g甘氨酸及0. 9 g硝酸铵，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液。将溶液加热到50 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态。将凝胶放入到290 ℃的环境中加热，凝胶在几分钟内发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末。将所得粉末加入到去离子水中清洗，干燥，得到高纯碳包覆ZnO:Fe粉末。
上述实施例结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的对本发明的各种修改或变形，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种碳包覆铁掺杂氧化锌的快速合成方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1) 称取可溶性的锌盐、铁盐、有机燃料及燃烧助剂，配制成水溶液，搅拌溶解至透明溶液；(2) 将溶液加热到50-100 ℃，水分不断蒸干至粘稠状的凝胶状态；(3) 将凝胶加热到180-290 ℃，凝胶发生自蔓延燃烧，得到黑色的疏松粉末；(4) 将所得粉末加入到溶剂中清洗干燥，即得高纯目标材料；
所述的有机燃料为柠檬酸、甘氨酸或尿素中的一种或两种以上，所加有机燃料的摩尔数为锌和铁离子摩尔数的0.4-0.9倍；
所述的燃烧助剂为硝酸铵，所加的摩尔数为锌和铁离子摩尔数的0. 01-1倍。
2.根据权利要求1所述的一种碳包覆铁掺杂氧化锌的快速合成方法，其特征在于：所述的可溶性的锌盐为硝酸锌、氯化锌、硫酸锌或乙酸锌中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的一种碳包覆铁掺杂氧化锌的快速合成方法，其特征在于：所述的可溶性的铁盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁、或硫酸高铁铵中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的一种碳包覆铁掺杂氧化锌的快速合成方法，其特征在于：所述的凝胶通过明火或微波引燃，再发生自蔓延燃烧。
5.根据权利要求1所述的一种碳包覆铁掺杂氧化锌的快速合成方法，其特征在于：步骤(4)中清洗溶剂为去离子水、乙醇、丙醇、丙酮的一种或两种以上。
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