CN105603527A - 一种氧化锌纳米单晶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种氧化锌纳米单晶的制备方法，首先取乙酸锌和聚乙烯吡咯烷酮，将乙酸锌和聚乙烯吡咯烷酮加入到去离子水中充分溶解配制混合溶液；然后将配制的混合溶液做干燥处理，使水分完全蒸发得到乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物；最后将乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物放入煅烧炉中进行煅烧，得到氧化锌纳米单晶。上述一种氧化锌纳米单晶的制备方法，操作简单、产量高、生产成本低。制备的氧化锌纳米单晶可应用于气敏传感器、发光设备、光催化剂等领域。

Description

一种氧化锌纳米单晶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化锌纳米单晶的制备方法，具体涉及一种制备方法简单，产量高的氧化锌纳米单晶的制备方法。
背景技术
氧化锌是一种宽禁带n型半导体，室温下其禁带宽度约3.37eV，具有独特的光学和电学性能，在气敏传感器、太阳能电池、光催化剂、压电和光电器件等领域具有广泛的应用。由于一维的氧化锌纳米单晶具有较大的长径比和比表面积，一维结构的氧化锌纳米单晶在诸多领域成为研究热点。
目前，氧化锌纳米单晶的制备主要有两种方法，一种是化学气相沉积法，另一种是湿化学法。化学气相沉积法通常是以有机锌盐作为锌源，氧气作为反应气体，氩气作为载气，在高温环境下，通过锌与氧气的氧化还原作用，使氧化锌生成并沉积在基片上。化学气相沉积法通常用于制备氧化锌阵列，所制备的产物均匀，但是产量较低、设备成本和生产成本高、影响因素多。另外一种方法是采用湿化学法制备氧化锌纳米单晶粉体。通常采用水热法、溶剂热等方法制备纳米棒、纳米花等氧化锌单晶结构。以上两种方法均可以获得形貌可控的氧化锌纳米单晶体，但产量较低。
发明内容
为了解决现有技术中通过化学气相沉积法制备氧化锌纳米单晶产量较低、设备成本和生产成本高、影响因素多和通过湿化学法制备氧化锌纳米单晶粉体产量较低的问题，本发明提供一种产量高、制备成本低的氧化锌纳米单晶的制备方法。
本发明提供的一种氧化锌纳米单晶的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：按质量比5-10：3-5称取乙酸锌和聚乙烯吡咯烷酮，将乙酸锌和聚乙烯吡咯烷酮加入到去离子水中充分溶解配制混合溶液。
步骤二：对配制的混合溶液做干燥处理，使水分完全蒸发得到乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物。
步骤三：将乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物放入煅烧炉中，煅烧炉升温到450℃～600℃，然后保温1小时～5小时，最后从煅烧炉中取出氧化锌纳米单晶成品。
优选的，步骤二中，所述干燥处理在烘箱内进行，干燥温度为70℃。
优选的，步骤三中，煅烧炉以1℃/分钟的速率升温到500℃，然后保温2h。
优选的，所述煅烧炉采用马弗炉。
优选的，所述聚乙烯吡咯烷酮分子量为13000000。
本发明提供的一种氧化锌纳米单晶的制备方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
上述一种氧化锌纳米单晶的制备方法，采用乙酸锌作为锌源，聚乙烯吡络烷酮作为形貌控制剂，去离子水作为溶剂，根据乙酸锌与聚乙烯吡络烷酮在空气中分解温度的不同，通过煅烧乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物，最终制备了氧化锌纳米单晶，所制备的氧化锌纳米单晶长约5μm，直径约40nm。本发明提供的氧化锌纳米单晶的制备方法操作简单，产量高，生产成本低。制备的氧化锌纳米单晶可应用于气敏传感器、发光设备、光催化剂等领域。
本发明以去离子水、乙酸锌和聚乙烯吡咯烷酮作为原料，通过用于混合的烧杯和用于煅烧的煅烧炉制备氧化锌纳米单晶，无需用到反应釜和其它有机溶剂，制备成本更低，产生的有害气体更少。
附图说明
图1为实施例1所制备的氧化锌纳米单晶的XRD图。
图2为实施例1所制备的氧化锌纳米单晶的低倍扫描电镜图。
图3为实施例1所制备的氧化锌纳米单晶的高倍扫描电镜图。
图4为实施例1所制备的氧化锌纳米单晶的透射电镜图。
图5为聚乙烯吡咯烷酮的热重曲线图。
图6为乙酸锌的热重曲线图。
具体实施方式
下述实施例1至实施例3中采用的原料为乙酸锌、去离子水和分子量为13000000聚乙烯吡咯烷酮；所使用的设备为用于混合的烧杯和用于煅烧的马弗炉。制备氧化锌纳米单晶时，首先将乙酸锌和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中制备混合溶液，然后将混合溶液干燥制备乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物；最后通过煅烧乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物制备氧化锌纳米单晶。制备出氧化锌纳米单晶后，通过X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜对制备的氧化锌纳米单晶进行观察分析。
实施例1
步骤一：取5g乙酸锌和3g聚乙烯吡咯烷酮，加入到50mL去离子水中，充分溶解配制成混合溶液。
步骤二：将配制好的混合溶液放置于烘箱中，并在70℃保温36h进行干燥，得到乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物。
步骤三：将乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物放入马弗炉中，然后以1℃/分钟升温至500℃，保温2h，最后从马弗炉中取出制备的产物。
步骤四：通过X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜对制备的产物进行观察分析。
上述实施例1制备的氧化锌纳米单晶，通过X射线衍射仪得出如图1所示的XRD图，通过XRD图可知，产物的衍射峰与氧化锌标准衍射峰峰位一致，没有其他杂峰出现，说明所制备的氧化锌结晶性能好，纯度高。通过扫描电镜得出低倍扫描电镜图和高倍扫描电镜图。从低倍扫描电镜图即图2可知，制备的氧化锌产物为花状结构，花状结构的直径约15μm，每个花状结构由多个氧化锌纳米线组成，各氧化锌纳米线的长度约为5μm；通过高倍扫描电镜图即图3可知，组成花状结构的氧化锌纳米线直径在30nm-50nm之间。通过透射电镜得出氧化锌纳米线的透射电镜图，如图4所示，图4中显示的衍射斑点说明所制备的氧化锌纳米线为单晶结构。
实施例2
步骤一：取10g乙酸锌和5g聚乙烯吡咯烷酮，加入到50mL去离子水中，充分溶解配制成混合溶液。
步骤二：将配制好的混合溶液放置于烘箱中，并在70℃保温36h进行干燥，得到乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物。
步骤三：将乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物放入马弗炉中，然后以1℃/分钟升温至500℃，保温2h，最后从马弗炉中取出制备的产物。
步骤四：通过X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜对制备的产物进行观察分析。
上述实施例2制备的氧化锌纳米单晶，通过X射线衍射实验得出：产物的衍射峰与氧化锌标准衍射峰峰位一致，没有其他杂峰出现，说明所制备的氧化锌结晶性能好，纯度高。通过扫描电镜得出低倍扫描电镜图和高倍扫描电镜图。从低倍扫描电镜图可知，制备的氧化锌产物为花状结构，花状结构的直径约16μm，每个花状结构由多个氧化锌纳米线组成，各氧化锌纳米线的长度约为6μm；通过高倍扫描电镜图可知，组成花状结构的氧化锌纳米线直径在35nmm-55nm之间。通过透射电镜得出氧化锌纳米线的透射电镜图，透射电镜图中显示的衍射斑点说明所制备的氧化锌纳米线为单晶结构。
实施例3
步骤一：取7g乙酸锌和4g聚乙烯吡咯烷酮，加入到50mL去离子水中，充分溶解配制成混合溶液。
步骤二：将配好的混合溶液放置于烘箱中，并在70℃保温36h进行干燥，得到乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物。
步骤三：将乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物放入马弗炉中，然后以1℃/分钟升温至500℃，保温2h，最后从马弗炉中取出制备的产物。
步骤四：通过X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜对制备的产物进行观察分析。
上述实施例3制备的氧化锌纳米单晶，通过X射线衍射实验得出：产物的衍射峰与氧化锌标准衍射峰峰位一致，没有其他杂峰出现，说明所制备的氧化锌结晶性能好，纯度高。通过扫描电镜得出低倍扫描电镜图和高倍扫描电镜图。从低倍扫描电镜图可知，制备的氧化锌产物为花状结构，花状结构的直径约14μm，每个花状结构由多个氧化锌纳米线组成，各氧化锌纳米线的长度约为4μm；通过高倍扫描电镜图，组成花状结构的氧化锌纳米线直径在25-50nm之间。通过透射电镜得出氧化锌纳米线的透射电镜图，透射电镜图中显示的衍射斑点说明所制备的氧化锌纳米线为单晶结构。
上述实施例1至实施例3的制备过程中，首先将乙酸锌和聚乙烯吡咯烷酮添加到去离子水中进行溶解，得到澄清的混合溶液。澄清的混合溶液在烘箱内充分干燥后，得到乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物；由于去离子水完全蒸发，乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮形成的为透明的混合物固体。将混合物固体放入马弗炉内加热煅烧。当马弗炉内随着温度逐渐升高至130℃时，混合物中聚乙烯吡咯烷酮逐渐开始熔化，随着时间延长，聚乙烯吡咯烷酮可以完全熔化成熔融态；通过图5可知，在130-350℃之间，聚乙烯吡咯烷酮并未分解而是处于熔融态。通过图6可知，当温度升高至200℃以上时，如式1所示，混合物中的乙酸锌分解形成氧化锌、二氧化碳和水。由于二氧化碳和水蒸气的释放，使得熔融态聚乙烯吡咯烷酮中产生大量气泡。乙酸锌分解生成的氧化锌在聚乙烯吡咯烷酮的作用下，逐渐沿着垂直于气泡的方向聚集，逐渐生长成由氧化锌纳米线组成的花状结构。当温度高于350℃时，乙酸锌完全分解为氧化锌；此时，如式2所示，聚乙烯吡咯烷酮开始与空气中的氧气反应生成二氧化碳和水；当温度达到450℃时，聚乙烯吡咯烷酮完全分解。
式1：Zn(CH3COO)2+4O2→ZnO+4CO2+3H2O
式2：4(C6H9NO)n+(26n+9)O2→24nCO2+18H2O+4nNO2
通过上述实施例1至实施例3可知，通过本发明提供的氧化锌纳米单晶的制备方法制备的氧化锌纳米单晶，长约5μm，直径约40nm。本发明提供的氧化锌纳米单晶的制备方法操作简单，产量高，生产成本低。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种氧化锌纳米单晶的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：按质量比5-10：3-5称取乙酸锌和聚乙烯吡咯烷酮，将乙酸锌和聚乙烯吡咯烷酮加入到去离子水中充分溶解配制混合溶液；
步骤二：对步骤一中配制的混合溶液做干燥处理，使水分完全蒸发得到乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物；
步骤三：将乙酸锌与聚乙烯吡咯烷酮的混合物放入煅烧炉中，煅烧炉升温到450℃～600℃，然后保温1小时～5小时，最后从煅烧炉中取出氧化锌纳米单晶成品。
2.如权利要求1所述的一种氧化锌纳米单晶的制备方法，其特征在于，步骤二中，干燥处理在烘箱内进行，干燥温度为70℃。
3.如权利要求1所述的一种氧化锌纳米单晶的制备方法，其特征在于，步骤三中，煅烧炉以1℃/分钟的速率升温到500℃，然后保温2h。
4.如权利要求1所述的一种氧化锌纳米单晶的制备方法，其特征在于，所述煅烧炉采用马弗炉。
5.如权利要求1所述的一种氧化锌纳米单晶的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮分子量为13000000。
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Application publication date: 20160525

Assignee: JIANGSU XFNANO MATERIALS TECH Co.,Ltd.

Assignor: Shandong University of Science and Technology

Contract record no.: X2021370010009

Denomination of invention: A preparation method of ZnO nano single crystal

Granted publication date: 20180504

License type: Exclusive License

Record date: 20210311