CN110950374A - 一种花瓣形管状结构氧化锌及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种花瓣形管状结构氧化锌及其制备方法，其在扫描电镜下显示为花瓣形管状结构，其制备方法包括：提供氧化锌、石墨，所述氧化锌与石墨的质量比为(0.95‑1.05)：1，混合后，在混合物的附近放置硅片，升温至1000±30℃，制得花瓣形管状结构氧化锌产物。本发明合成速度快，无需再进行其他处理；这种管状结构有效减少了团簇，而且提高了比表面积；在没有添加任何模板剂、催化剂的情况下，生成特殊结构的氧化锌，发光带红移到了400nm左右。
Description
技术领域
本发明涉及微纳结构材料的制备领域，特别是涉及一种花瓣形管状结构氧化锌及其制备方法。
背景技术
氧化锌是一种应用广泛Ⅱ-Ⅵ型直接带隙宽禁带化合物半导体材料，其禁带宽度为3.37eV，在光电、传感器、压电、光催化等领域都有所应用。因为氧化锌的物理性能对其结构特征具有一定的敏感性，人们可以通过改善其几何结构进而来调控其物理性能。所以科学家们尝试了多种方法制备出了多种结构的氧化锌以获得目标性能。
目前其制备方法主要分为气相法、液相法、固相法，而其中气相法制备的氧化锌晶型最为完美，晶体质量最优，但制得的材料的微观结构取决于气相法的工艺参数，而氧化锌的微观结构是决定其性能差异的关键因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型微观结构的氧化锌，即花瓣形管状结构氧化锌。本发明先通过调整原料氧化锌与石墨的质量比，然后在高温下，使得氧化锌被石墨还原生成锌蒸汽，再到达低温区的裸硅上，锌被氧化后在特定的生长条件下将沿着特定晶向生长，生成花瓣形管状结构的单晶氧化锌。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种花瓣形管状结构氧化锌，其在扫描电镜下显示为花瓣形管状结构。
可选地，所述氧化锌的X-射线衍射图特征峰值出现在：31.84-31.88°，34.49-34.53°，36.29-36.33°，47.52-47.56°，56.61-56.65°，62.92-69.96°，66.44-66.48°，67.98-68.02°，69.17-69.21°，72.59-72.63°，76.97-77.01°。
可选地，所述花瓣形管状结构氧化锌的X-射线衍射图特征峰如图2所示。
本发明还提供上述花瓣形管状结构氧化锌的制备方法，包括：提供氧化锌、石墨，所述氧化锌与石墨的质量比为(0.95-1.05)：1，混合后，在所得s混合物的附近放置硅片，升温至1000±30℃，制得花瓣形管状结构氧化锌产物。
可选地，所述氧化锌与石墨的质量比为1：1。
可选地，升温至1000℃。
可选地，升温至所需温度后，保温25-35min，包括但不限于25min、28min、30min、33min、35min。
可选地，所述混合物与所述硅片之间的距离为0.5-1.5cm，包括但不限于0.5cm、0.5cm、0.8cm、1.0cm、1.3cm、1.5cm，优选为1cm。
可选地，用于放置所述混合物以及硅片的物品为陶瓷片。
可选地，所述硅片为裸硅片。
可选地，所述硅片可以为圆形、方形等不同形状，其直径不受限制，具体可以为4-6mm，包括但不限于4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm等，优选为5mm，硅片的尺寸不受上述范围限制，可以根据需要进行设计。
本发明至少具有以下有益效果：
1、合成速度快，无需再进行其他处理。
2、这种管状结构有效减少了团簇，而且提高了材料的比表面积。
3、在没有添加任何模板剂、催化剂的情况下，生成特殊结构的氧化锌，其本征发光带红移到了400nm左右，发光带右移向可见光区，有效增加了对可见光的利用，提高了材料在可见光下的光催化效率，有效提高了在可见光的条件下将水分解成氢气的可能性。
附图说明
图1显示为实施例1所得到的氧化锌的扫描电镜照片，a、b、c是不同放大倍数的图。
图2显示为实施例1所得到的氧化锌的X射线衍射图。
图3显示为对比例1所得到的氧化锌在不同放大倍数下的扫描电镜图。
图4显示为对比例1所得到的氧化锌的X射线衍射图。
图5显示为对比例2所得到的氧化锌在不同放大倍数下的扫描电镜图。
图6显示为对比例2所得到的氧化锌的X射线衍射图。
图7显示为对比例3所得到的氧化锌在不同放大倍数下的扫描电镜图。
图8显示为对比例3所得到的氧化锌的X射线衍射图。
图9显示为对比例4所得到的氧化锌在不同放大倍数下的扫描电镜图。
图10显示为实施例1制得的产品的CL(阴极射线发光)光谱图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
本发明实施例提供一种花瓣型管状结构氧化锌的制备方法，主要制备过程包括：A、称取一定量氧化锌、石墨；B、研磨、混合均匀；C、将混合后的原料放到小石英管里，再放入管式炉中；D、将管式炉升到高温，并在其保温一定时间，然后降温，整个试验在空气中进行，在裸硅上可以收集到花瓣形管状结构的氧化锌。
本发明实施例通过利用锌的沸点低这一特点，在高温下碳将氧化锌还原成锌，锌蒸汽输运到低温区的裸硅，被氧化后沿着特定晶向生长得到花瓣形管状结构的氧化锌。
为了得到花瓣形管状结构氧化锌，我们进行了多次实验，调整氧化锌与石墨的质量比，得到了不同条件下制备的氧化锌。
实施例1
1、本实施例提供的花瓣型管状结构氧化锌的制备方法如下：
A、称取0.5g氧化锌、0.5g石墨粉；
B、将氧化锌、石墨粉于玛瑙研钵中研磨混合均匀；
C、混合后的粉末放置在陶瓷片上，在距其1cm处间隔放上三个洁净的裸硅片(5×5mm)，然后将陶瓷片放入小石英管，将小石英管放入管式炉的加热温区；
D、调节管式炉加热，设置为1000℃下保温30min，然后开始降温，在裸硅上收集到花瓣形管状结构氧化锌产物。
2、所得产物的SEM结果如图1所示，XRD结果如图2所示。从图1可以看出，实施例1条件下生成的氧化锌具有花瓣形管状这种特殊结构，该材料是一种管状的结构，侧面形似花瓣，并且是六瓣均匀分布，图2的衍射图表明主要是沿着(002)面生长。
实施例2
本实施例提供的花瓣型管状结构氧化锌的制备方法如下：
A、称取0.55g氧化锌、0.5g石墨粉；
B、将氧化锌、石墨粉于玛瑙研钵中研磨混合均匀；
C、混合后的粉末放置在陶瓷片上，在距其1cm处间隔放上三个洁净的裸硅片(5×5mm)，然后将陶瓷片放入小石英管，将小石英管放入管式炉的加热温区；
D、调节管式炉加热，设置为1030℃下保温30min，然后开始降温，在裸硅上收集到花瓣形管状结构氧化锌产物。
实施例3
本实施例提供的花瓣型管状结构氧化锌的制备方法如下：
A、称取0.45g氧化锌、0.5g石墨粉；
B、将氧化锌、石墨粉于玛瑙研钵中研磨混合均匀；
C、混合后的粉末放置在陶瓷片上，在距其1cm处间隔放上三个洁净的裸硅片(5×5mm)，然后将陶瓷片放入小石英管，将小石英管放入管式炉的加热温区；
D、调节管式炉加热，设置为970℃下保温30min，然后开始降温，在裸硅上收集到花瓣形管状结构氧化锌产物。
实施例2和实施例3制得的产物的理化性质接近实施例1。
对比例1
本对比例的方法同实施例1，将氧化锌用量减少至0.4g，具体制备方法如下：
A、称取0.4g氧化锌，0.5g石墨粉；
B、将氧化锌、石墨粉于玛瑙研钵中研磨混合均匀；
C、混合后的粉末放置在陶瓷片上，在距其1cm处间隔放上三个洁净的裸硅片(5×5mm)，然后将陶瓷片放入小石英管，将小石英管放入管式炉的加热温区；
D、调节管式炉加热，设置在1000℃下保温30min，然后开始降温，在裸硅上收集到产物。
所得产物的SEM结果如图3所示，XRD结果如图4所示。
对比例2
本对比例的方法同实施例1，将氧化锌用量减少至0.3g，具体制备方法如下：
A、称取0.3g氧化锌，0.5g石墨粉；
B、将氧化锌、石墨粉于玛瑙研钵中研磨混合均匀；
C、混合后的粉末放置在陶瓷片上，在距其1cm处间隔放上三个洁净的裸硅片(5×5mm)，然后将陶瓷片放入小石英管，将小石英管放入管式炉的加热温区；
D、调节管式炉加热，设置在1000℃下保温30min，然后开始降温，在裸硅上收集到产物。
所得产物的SEM结果如图5所示，XRD结果如图6所示。
对比例3
本对比例的方法同实施例1，将温度提升至1050℃，具体制备方法如下：
A、称取0.5g氧化锌，0.5g石墨粉；
B、将氧化锌、石墨粉于玛瑙研钵中研磨混合均匀；
C、混合后的粉末放置在陶瓷片上，在距其1cm处间隔放上三个洁净的裸硅片(5×5mm)，然后将陶瓷片放入小石英管，将小石英管放入管式炉的加热温区；
D、调节管式炉加热，设置在1050℃下保温30min，然后开始降温，在裸硅上收集到产物。
所得产物的SEM结果如图7所示，XRD结果如图8所示。
对比例4
本对比例的方法同实施例1，将温度降低至950℃，具体制备方法如下：
A、称取0.5g氧化锌，0.5g石墨粉；
B、将氧化锌、石墨粉于玛瑙研钵中研磨混合均匀；
C、混合后的粉末放置在陶瓷片上，在距其1cm处间隔放上三个洁净的裸硅片(5×5mm)，然后将陶瓷片放入小石英管，将小石英管放入管式炉的加热温区；
D、调节管式炉加热，设置在950℃下保温30min，然后开始降温，在裸硅上收集到产物。
所得产物的SEM结果如图9所示。在此条件下氧化锌几乎无法制备出来，XRD测试结果无意义。
性能测试实验
对实施例1制得的氧化锌材料进行阴极射线发光分析，图10所示为CL(阴极射线发光)光谱图，在高能电子束照射到样品上，通过和晶格的碰撞使样品的原子离化，产生电子跃迁，然后通过电子—空穴复合产生发光(CL)，氧化锌紫外发光带一般在375nm左右，实施例1制备的花瓣形管状结构的氧化锌因其特殊结构对波长相关的光强有一定的影响，周围细长的氧化锌微六角形柱具有均匀的几何形状，它与中心的氧化锌可以形成多种共振模式，在腔内对波长相关的光强一些方向产生了不同的影响，起到了调制的作用，最后其发光带红移到了400nm左右。这说明纳米花瓣结构对氧化锌的发光性能起到了一定的调制作用。而发光带移向可见光区，可以有效增加对可见光的利用率，极大提高了材料在可见光下的光催化效率，也说明在可见光的条件下将水分解成氢气的实际应用是可行的，更加说明了水在太阳光下变成能源是未来新能源切实有效的发展方向。
综上所述，本发明实施例制得了一种微观结构为花瓣形管状结构的氧化锌，理化性质均不同于现有氧化锌，所得材料的发光带红移到了400nm左右，可用于光催化反应，提升对可见光的利用率，具有广阔的市场应用价值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氧化锌，其特征在于，包括：其在扫描电镜下显示为花瓣形管状结构。
2.根据权利要求1所述的氧化锌，其特征在于：所述氧化锌的X-射线衍射图特征峰值出现在：31.84-31.88°，34.49-34.53°，36.29-36.33°，47.52-47.56°，56.61-56.65°，62.92-69.96°，66.44-66.48°，67.98-68.02°，69.17-69.21°，72.59-72.63°，76.97-77.01°。
3.根据权利要求1所述的氧化锌，其特征在于：其X-射线衍射图特征峰如图2所示。
4.权利要求1或2所述氧化锌的制备方法，其特征在于：包括：提供氧化锌、石墨，所述氧化锌与石墨的质量比为(0.95-1.05)：1，混合后，在所得混合物的附近放置硅片，升温至1000±30℃，制得花瓣形管状结构氧化锌产物。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述氧化锌与石墨的质量比为1：1。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：升温至1000℃。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：升温至所需温度后，保温25-35min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述混合物与所述硅片之间的距离为0.5-1.5cm。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：用于放置所述混合物以及硅片的物品为陶瓷片。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述硅片的直径为4-6mm。
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