CN1715190A - 以青葱为模板和反应器一步合成iib族硫化物半导体纳米材料的方法 - Google Patents

以青葱为模板和反应器一步合成iib族硫化物半导体纳米材料的方法 Download PDF

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Abstract

以青葱为模板和反应器一步生产IIB族硫化物半导体纳米材料的方法，涉及一种纳米材料的制备工艺。先将青葱用蒸馏水洗干净。配制浓度为0.05～0.20mol/L含汞、镉、锌等金属离子和含硫离子溶液分置于两个容器中。先将青葱根部朝下竖直放入盛有其中一种溶液的容器中，并使其根茎全部被浸没，仅露出叶片。与此同时，缓慢向叶片的孔洞中注入另一种溶液，保持叶片孔洞中溶液高度低于孔洞约2厘米，24小时后取出。最后将青葱上的产物转入无水乙醇中，得到IIB族硫化物半导体纳米材料。本发明成本低廉、工艺简单、无任何污染、产率达90％，产物具有良好光学性能。可广泛用于网状、球状、颗粒状等IIB族硫化物半导体纳米材料的合成与制备。

Description

以青葱为模板和反应器一步合成IIB族硫化物半导体纳米材料的方法
                          技术领域
本发明涉及一种IIB族硫化物半导体纳米材料的制备方法。
                          背景技术
IIB族硫化物半导体纳米材料因其具有独特的光电特性、热传导性、磁学特性、力学性能等而广泛应用于电磁学、光学、生物和医学等方面，人们尝试着利用包括模板法在内的各种方法来制备IIB族硫化物半导体纳米材料。目前用于制备IIB族硫化物半导体纳米材料的模板主要有：反相胶束软模板、人工活性膜、高分子膜和生物膜。但是上述前三种模板均未突破传统的理化框架，而且，即或是用到了生命物质，也未能调动活的生命系统来控制合成IIB族硫化物半导体纳米材料。生物膜虽能调动活的生命系统来控制合成IIB族硫化物半导体纳米材料，但其合成过程费时费力，需要两步或两步以上反应方能完成。因此开发一种设计新颖、技术先进、方便简单、成本低廉、活体控制、全程“绿色”、能规模生产IIB族硫化物半导体纳米材料具有重要意义。
                         发明内容
本发明的目的是公开一种IIB族硫化物半导体纳米材料的制备方法。利用本发明的方法制备的IIB族硫化物半导体纳米材料成本低廉、活体控制，可以一步反应制备不同形貌的网状、球状、颗粒状等IIB族硫化物半导体纳米材料。
为了达到上述目的，本发明是这样进行的。我们经过长期研究发现：人与动物的骨头和牙齿，贝类生物的坚而硬的壳，都是细胞控制下的生物矿化的杰作，是生物体自身合成的优质的纳米材料。生物膜是建立在分子有序排列基础上的，具有高度的有序性和可控性，可解决合成高分子膜至今难以克服的许多重要问题(例如合成高分子膜往往难以兼顾高渗透性和高选择性)，而生物膜却具有极好的渗透传递性能和选择分离效率。我们经过对多种活体材料的筛选发现：青葱具有特有的植物蛋白、脂肪、糖类、维生素等组成的生物膜，它也同样具有极好的传递性能和分离效率，可直接利用其结构致密、排列有序的结构作为生物膜模板，进行离子信息输送、能量传递，完成操纵分子成核、生长、最后形成不同形貌的IIB族硫化物半导体纳米材料。而且，以青葱为合成模板和反应器，仅需通过一步反应即可合成出IIB族硫化物半导体纳米材料。因此，利用青葱活体生物膜的选择性吸收与排异、渗透与传输、诱导、控制等特殊功能，以其为模板和反应器，通过一步诱导合成反应，在模板上制取不同形貌的网状、球状、颗粒状等IIB族硫化物半导体纳米材料的工艺是确实可行的。
具体工艺如下：
第一步：将市售新鲜青葱用蒸馏水洗涤干净后晾干，即获得所使用的活体生物膜模板和反应器，青葱可选用大葱或小葱。
第二步：称取0.02～0.08mol离子摩尔数之比与产物化学式相对应的含汞、镉、锌等金属离子的盐和含硫金属化合物，然后将其分别溶解于400mL蒸馏水中制成浓度为0.05～0.20mol/L的金属离子和硫离子溶液，再将其分置于两个瘦高容器中。汞、镉、锌金属离子的盐可采用氯酸盐或硝酸盐或醋酸盐等可溶性盐。
第三步：先将第一步所制备的活体生物膜模板根部朝下竖直放入盛有第二步所配制的两种溶液中的一种溶液的中，并使其根茎全部被溶液浸没，仅露出葱管状叶片。与此同时，缓慢向葱管状叶片的管腔中注入另一种溶液，保持葱管状叶片的管腔中溶液高度低于管腔顶端2～3厘米，24小时后取出。
第四步：取出第三步所制得的活体生物膜模板和模板上的产物，分别用蒸馏水和无水乙醇洗净后，将青葱上的产物转入无水乙醇中，所得即为本发明的纳米材料。
分别用透射电子显微镜(TEM)和X射线粉末衍射仪(XRD)对产物的形貌和结构进行了表征，SEM表明粒子粒径都在30～3000纳米，XRD结果表明产物纯净(与JCPDS卡片一致)。紫外-可见光谱分析结果表明，产物的最大吸收带同常规材料相比，出现较大范围的“蓝移”，表现出明显的量子尺寸效应。荧光光谱分析结果表明，一些产物具有光致发光性能。
本发明具有如下的优点：
1.由于本发明选取青葱活体生物膜作为合成模板和反应器，因其来源广泛，价格便宜，供应充足，因此使本发明的生产成本十分低廉。
2.由于本发明采用的合成模板为青葱活体生物膜，具有选择性吸收与排异、渗透与传输、诱导与控制等特殊功能，能诱导控制合成制备多种形貌的IIB族硫化物半导体纳米材料，使本发明制得的产物具有良好而众多的形貌，为功能材料的开发奠定了良好的基础。
3.由于本发明只需要调整金属阴阳离子化合物种类，并在室温条件下养护，仅需一步反应即可合成不同形貌的IIB族硫化物半导体纳米材料。因此具有操作方便、工艺和设备简单、无污染的优点，产率高达90％。
4.本发明制备的产物具有良好的光、电等性能：吸收峰蓝移、荧光增强。
                         附图说明
图1为本发明的实施例1的产物的透射电子显微镜(TEM)获得的形貌图
图2为本发明的实施例1的产物的X射线粉末衍射(XRD)获得的结构图
图3为本发明的实施例1的产物的紫外吸收光谱图
图4为本发明的实施例1的产物的荧光发射光谱图
                       具体实施方式
实施例1
第一步：取市售新鲜大葱(2～3根)，将其用蒸馏水洗涤干净备用。
第二步：分别称取0.02mol HgCl2和Na2S，然后将其分别溶解于400mL蒸馏水中制成浓度为0.05mol/L的HgCl2和Na2S溶液，再将其分置于两个500mL高型容器中。
第三步：将上述经过洗涤的市售大葱再用蒸馏水洗净后，根部朝下竖直放入盛有Na2S溶液的瘦高的容器中，并使其根和茎全部被溶液浸没，仅露出葱管状叶片。与此同时，缓慢向葱管状叶片的管腔中注入HgCl2溶液，保持葱管状叶片管腔的溶液高度低于孔洞顶端2厘米，24小时后取出。
第四步：将第三步所取出的活体生物膜模板，分别用蒸馏水和无水乙醇洗净后，将模板上的黑色产物转入无水乙醇中，所得即为本发明的HgS纳米材料。
分别用透射电子显微镜(TEM)和X射线粉末衍射仪(XRD)对产物的形貌和结构进行了表征，TEM表明产物是由直径约125纳米的HgS纳米球自组装成的网状交联结构，XRD结果表明产物纯净(与JCPDS卡片一致)。紫外-可见光谱分析结果表明，产物的最大吸收带同常规材料相比，出现较大范围的“蓝移”，表现出明显的量子尺寸效应。荧光光谱分析结果表明，产物具有光致发光性能。
实施例2
以小葱取代大葱，其他条件和步骤与实施例1完全相同，得到的产物的形貌、大小和晶系与实施例1完全相同。产物纯度高，结晶度及光学性能良好。与实施例1相比，产率较低。
实施例3
将第三步中青葱葱管状叶片内外的两种反应液均放在葱管状叶片外面，分步进行诱导合成：将上述经过洗涤的市售大葱(2～3根)再用蒸馏水洗净后，根部朝下竖直放入盛有Na2S溶液的容器中，并使其根、茎全部被溶液浸没，仅露出葱管状叶片。24小时后取出，用蒸馏水冲洗掉青葱外部的Na2S溶液，转放到盛有HgCl2溶液的容器中，以相同的方式浸泡24小时后取出。其他条件和步骤与实施例1完全相同，得到的产物为直径为300nm的HgS纳米球，其晶系与实施例1相同，产物纯度高，结晶度及光学性能良好。
实施例4
以CdCl2取代HgCl2，其他条件和步骤与实施例1完全相同，得到的产物为直径为120纳米的实心CdS纳米球。CdS纳米球为立方相晶体，性能基本与实例1中的纳米HgS相似。
实施例5
以Zn(Ac)2取代HgCl2，其他条件和步骤与实施例1完全相同。透射电镜观察结果表明，产物为大小为80nm的实心ZnS纳米颗粒。ZnS纳米颗粒为立方相晶体，性能基本与实例1中的纳米HgS相似。
实施例6
将第二步中分别称取HgCl2和Na2S的量改为0.06mol，然后将其分别溶解于400mL蒸馏水中制成浓度为0.15mol/L的HgCl2和Na2S溶液，其他与实施例1相同，所得即为本发明的HgS纳米材料。

Claims (4)

1.以青葱为模板和反应器一步生产IIB族硫化物半导体纳米材料的方法，其特征在于：
第一步：取市售新鲜青葱，将其用蒸馏水洗涤干净；
第二步：取浓度为0.05～0.20mol/L，离子摩尔数之比与产物化学式相对应的含汞、镉、锌金属离子溶液和含硫金属离子溶液，分别置于两个容器中；先将青葱根部朝下竖直放入盛有其中一种溶液的容器中，并使其根茎全部被溶液浸没，仅露出葱管状叶片，与此同时，缓慢向葱管状叶片的管腔中注入另一种溶液，保持葱管状叶片的管腔中溶液高度低于管腔顶端2～3厘米，浸养24小时后取出；
第三步：取出的青葱，分别用蒸馏水和无水乙醇洗净后，将青葱上的产物转入无水乙醇中，得到IIB族硫化物半导体纳米材料。
2.根据权利要求1所述的以青葱为模板和反应器一步生产IIB族硫化物半导体纳米材料的方法，其特征在于：所述的青葱在含汞、镉、锌金属离子溶液和含硫金属离子溶液的浸养的先后顺序进行变更，将制备得到不同形貌的产物。
3.根据权利要求1所述的以青葱为模板和反应器一步生产IIB族硫化物半导体纳米材料的方法，其特征在于：所述的青葱在含汞、镉、锌金属离子溶液和含硫金属离子溶液的浸养程序，既可以同时浸养在两种浸养液中24小时一步反应获得，还可以先在两种浸养液其中的一种中浸养24小时后取出，用蒸馏水冲洗掉青葱外部的浸养液溶液，然后转放到盛有另一溶液的容器中，以相同的方式浸养24小时获得。
4.根据权利要求1所述的以青葱为模板和反应器一步生产IIB族硫化物半导体纳米材料的方法，其特征在于：所述的青葱可以选择大葱，或者小葱。
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