CN105198232B - 一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料及其制备方法，属于无机纳米材料的制备技术领域。一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料，包括直径均匀的纳米柱和生长于直径均匀纳米柱上的直径不断变大的倒六棱锥，采用两步水热法制备，通过调控两步水热法的反应物浓度，得到直径变化的ZnO定向纳米柱阵列材料。本发明方法对设备要求低、操作简单、环境友好，具有良好的可控性和重复性；制备得到的直径变化的ZnO定向纳米柱阵列可应用于高性能染料敏化电池、气体传感器、光化学催化等器件中。
Description
技术领域
本发明属于无机纳米材料制备技术领域，具体涉及一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料及其制备方法。
背景技术
ZnO是一种重要的无机金属氧化物材料，在薄膜显示、光电探测、气体传感、半导体发光、场发射、染料敏化太阳能电池、压电器件等领域有广泛应用。ZnO定向纳米柱阵列具有优良的一维单晶性质、大的比表面积、高度有序性等优点，在纳米发电机、纳米模板、光催化、电化学传感等领域有很大的应用潜力。
目前，制备ZnO定向纳米柱阵列的方法主要有化学气相沉积法(CVD)和水热法。其中水热法因其设备要求低、方法简单、产量高，受到了大多数研究者的青睐。水热法生长ZnO定向纳米柱通常分为两步，首先需要在生长ZnO纳米柱的衬底上制备一层ZnO薄膜，作为ZnO纳米柱生长的晶种层；然后采用六水合硝酸锌和六次甲基四胺的混合液作为反应溶液，将附有ZnO晶种层的衬底置于溶液中加热处理，ZnO纳米柱则会在晶种层表面沿c轴方向定向生长。目前得到的ZnO纳米柱均为直径均匀的纳米棒。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料及其制备方法。本发明采用两步水热法，通过控制两步水热法的反应时间和反应物浓度等，制备得到了变化直径的ZnO定向纳米柱阵列，所述纳米柱阵列底部为直径均匀的纳米柱，顶部为生长于纳米柱之上的直径不断变大的倒六棱锥，得到了一种新型的纳米柱阵列材料。
本发明的技术方案如下：
一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料，包括直径均匀的纳米柱和生长于直径均匀纳米柱上的直径不断变大的倒六棱锥，采用两步水热法制备，通过调控两步水热法的反应物浓度，得到本发明直径变化的ZnO定向纳米柱阵列材料。
一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备ZnO晶种层：在衬底表面制备30～200nm的ZnO薄膜作为晶种层；
步骤2、第一步水热法制备直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列：配制浓度为0.01～0.05wt％的锌盐水溶液，然后加入等摩尔的六次甲基四胺，搅拌均匀，得到混合液A；然后将步骤1得到的带ZnO晶种层的衬底放入混合液A中，在70～95℃下处理2～5h；取出，采用去离子水冲洗，即在衬底ZnO晶种层上生长得到直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列；
步骤3、第二步水热法制备变化直径的ZnO倒六棱锥：配制浓度为0.1～0.5wt％的锌盐水溶液，加入等摩尔的六次甲基四胺，搅拌均匀，得到混合液B；然后将步骤2得到的带ZnO定向纳米柱阵列的衬底放入混合液B中，在70～95℃下处理2～5h；取出，采用去离子水冲洗，干燥，得到本发明所述变化直径的ZnO定向纳米柱阵列。
进一步地，步骤1所述晶种层ZnO薄膜采用磁控溅射、溶胶-凝胶、浸渍-提拉等方法制得。步骤1所述衬底为玻璃、不锈钢、氧化硅、陶瓷、塑料等。
进一步地，步骤2和步骤3所述锌盐为六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)、氯化锌(ZnCl2)、二水合乙酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)等。
本发明采用两步水热法制备具有变化直径的ZnO定向纳米柱阵列，第一步水热法采用较低浓度的反应溶液生长直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列，然后放入较高浓度的反应溶液中进行第二步水热法生长，在第二步水热法生长时，ZnO的生长是从第一步水热法得到的直径均匀的ZnO定向纳米柱上生长的，由于第二步水热法采用的反应溶液具有较高的浓度，因此，生成的ZnO直径不断变大，最终呈倒六棱锥型。
本发明的有益效果为：本发明通过连续的两步水热法获得了变化直径的ZnO定向纳米柱阵列，其底部为直径较小且均匀的纳米柱阵列，顶部为直径不断变大的倒六棱锥，两部分的直径大小及高度可以分别由两步水热法中的锌盐的浓度及反应时间进行调控；本发明方法对设备要求低、操作简单、环境友好，具有良好的可控性和重复性，得到的直径变化的ZnO定向纳米柱阵列可用于高性能光催化、气体传感、纳米发电和染料敏化太阳能电池等领域中。
附图说明
图1为本发明实施例1中第一步水热法生长的ZnO定向纳米柱阵列的扫描电镜及结构示意图；(a)为表面形貌，(b)为截面形貌，(c)为结构示意图；
图2为本发明实施例1得到的变化直径的ZnO定向纳米柱阵列的扫描电镜及结构示意图；(a)为表面形貌，(b)为截面形貌，(c)为结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详述本发明的技术方案。
本发明得到的变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料，形似注射针头状，底部为直径均匀的纳米柱，顶部为生长于纳米柱上的直径不断变大的倒六棱锥，采用两步水热法制备，所述直径均匀的纳米柱和直径不断变大的倒六棱锥的高度可通过水热法的时间调控，所述直径均匀的纳米柱和直径不断变大的倒六棱锥的直径大小通过反应溶液中的锌盐浓度调控。
一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制备ZnO晶种层：采用磁控溅射、溶胶-凝胶、浸渍-提拉等方法在衬底表面制备30～200nm的ZnO薄膜作为晶种层；
步骤2、第一步水热法制备直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列：配制浓度为0.01～0.05wt％的锌盐水溶液，然后加入与锌盐等摩尔的六次甲基四胺，搅拌均匀，得到混合液A；将混合液A倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，然后将步骤1得到的带ZnO晶种层的衬底放入混合液A中，在70～95℃下处理2～5h；取出，采用去离子水冲洗，及在衬底ZnO晶种层上生长得到直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列；
步骤3、第二步水热法制备变化直径的ZnO倒六棱锥：配制浓度为0.1～0.5wt％的锌盐水溶液，加入与锌盐等摩尔的六次甲基四胺，搅拌均匀，得到混合液B；将混合液B倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，然后将步骤2得到的带ZnO定向纳米柱阵列的衬底放入混合液B中，在70～95℃下处理2～5h；取出，采用去离子水冲洗，干燥，得到本发明所述变化直径的ZnO定向纳米柱阵列。
进一步地，步骤1所述衬底为玻璃、不锈钢、氧化硅、陶瓷、塑料等。
进一步地，步骤2和步骤3所述锌盐为六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)、氯化锌(ZnCl2)、二水合乙酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)等。
本发明得到的变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料，包括直径均匀的纳米柱和生长于纳米柱上的直径不断变大的倒六棱锥，直径均匀的纳米柱的直径为30～100nm，倒六棱锥的最大直径为200～500nm，所述变化直径的ZnO定向纳米柱阵列的高度为2～5μm。
实施例1
一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制备ZnO晶种层：采用磁控溅射法在1cm×1cm的玻璃衬底表面沉积100nm的ZnO薄膜作为晶种层；
步骤2、第一步水热法制备直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列：将摩尔比为1:1的六水合硝酸锌和六次甲基四胺加入30mL去离子水中，配制得到六水合硝酸锌质量浓度为0.02wt％的混合液A；将混合液A倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，然后将步骤1得到的带ZnO晶种层的衬底放入混合液A中，在70℃下处理5h；冷却后取出，采用去离子水冲洗，即在衬底ZnO晶种层上生长得到直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列；
步骤3、第二步水热法制备变化直径的ZnO倒六棱锥：将摩尔比为1:1的六水合硝酸锌和六次甲基四胺加入30mL去离子水中，配制得到六水合硝酸锌质量浓度为0.1wt％的混合液B；将混合液B倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，然后将步骤2得到的带ZnO定向纳米柱阵列的衬底放入混合液B中，在70℃下处理5h；冷却后取出，采用去离子水冲洗，在恒温干燥箱中80℃干燥6h，得到本发明所述变化直径的ZnO定向纳米柱阵列。
图2为实施例1得到的变化直径的ZnO定向纳米柱阵列的扫描电子显微镜图片，由图2可知，本发明得到的变化直径的ZnO定向纳米柱阵列为注射器针头状，底部直径均匀的纳米柱的直径约为60nm，顶部直径变化的倒六棱锥的平均直径为300nm。
实施例2
一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制备ZnO晶种层：在不锈钢衬底上旋涂ZnO前驱体溶液，然后在500℃条件下退火30min，得到ZnO晶种层；
步骤2、第一步水热法制备直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列：将摩尔比为1:1的氯化锌和六次甲基四胺加入30mL去离子水中，配制得到氯化锌质量浓度为0.05wt％的混合液A；将混合液A倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，然后将步骤1得到的带ZnO晶种层的不锈钢衬底放入混合液A中，在95℃下处理2h；冷却后取出，采用去离子水冲洗，即在衬底ZnO晶种层上生长得到直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列；
步骤3、第二步水热法制备变化直径的ZnO倒六棱锥：将摩尔比为1:1的氯化锌和六次甲基四胺加入30mL去离子水中，配制得到氯化锌质量浓度为0.5wt％的混合液B；将混合液B倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，然后将步骤2得到的带ZnO定向纳米柱阵列的衬底放入混合液B中，在95℃下处理5h；冷却后取出，采用去离子水冲洗，在恒温干燥箱中80℃干燥6h，得到本发明所述变化直径的ZnO定向纳米柱阵列。
实施例3
一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制备ZnO晶种层：采用磁控溅射法在Al2O3陶瓷衬底表面沉积200nm的ZnO薄膜作为晶种层；
步骤2、第一步水热法制备直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列：将摩尔比为1:1的六水合硝酸锌和六次甲基四胺加入30mL去离子水中，配制得到六水合硝酸锌质量浓度为0.01wt％的混合液A；将混合液A倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，然后将步骤1得到的带ZnO晶种层的Al2O3衬底放入混合液A中，在70℃下处理5h；冷却后取出，采用去离子水冲洗，在衬底ZnO晶种层上生长得到直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列；
步骤3、第二步水热法制备变化直径的ZnO倒六棱锥：将摩尔比为1:1的六水合硝酸锌和六次甲基四胺加入30mL去离子水中，配制得到六水合硝酸锌质量浓度为0.5wt％的混合液B；将混合液B倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，然后将步骤2得到的带ZnO定向纳米柱阵列的衬底放入混合液B中，在70℃下处理2h；冷却后取出，采用去离子水冲洗，在恒温干燥箱中80℃干燥6h，得到本发明所述变化直径的ZnO定向纳米柱阵列。
Claims (4)
1.一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料，包括直径均匀的纳米柱和生长于直径均匀纳米柱上的直径不断变大的倒六棱锥，采用两步水热法制备，通过调控两步水热法的反应物浓度，得到直径变化的ZnO定向纳米柱阵列材料。
2.一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备ZnO晶种层：在衬底表面制备30～200nm的ZnO薄膜作为晶种层；
步骤2、第一步水热法制备直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列：配制浓度为0.01～0.05wt％的锌盐水溶液，然后加入等摩尔的六次甲基四胺，搅拌均匀，得到混合液A；然后将步骤1得到的带ZnO晶种层的衬底放入混合液A中，在70～95℃下处理2～5h，即在衬底ZnO晶种层上得到直径均匀的ZnO定向纳米柱阵列；
步骤3、第二步水热法制备变化直径的ZnO倒六棱锥：配制浓度为0.1～0.5wt％的锌盐水溶液，加入等摩尔的六次甲基四胺，搅拌均匀，得到混合液B；然后将步骤2得到的带ZnO定向纳米柱阵列的衬底放入混合液B中，在70～95℃下处理2～5h，干燥，得到所述变化直径的ZnO定向纳米柱阵列。
3.根据权利要求2所述的变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料的制备方法，其特征在于，步骤1所述晶种层ZnO薄膜采用磁控溅射、溶胶-凝胶、浸渍-提拉方法制得；步骤1所述衬底为玻璃、不锈钢、氧化硅、陶瓷、塑料。
4.根据权利要求2所述的变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料的制备方法，其特征在于，步骤2和步骤3所述锌盐为六水合硝酸锌、氯化锌、二水合乙酸锌。
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