一種氧化鋅棒狀多級結構材料及其電化學製備方法
2023-09-10 19:44:45
專利名稱：一種氧化鋅棒狀多級結構材料及其電化學製備方法
技術領域：
本發明涉及一種氧化鋅棒狀多級結構材料及其電化學製備方法，屬於微/納米材料的製備領域。具體涉及一種由氧化鋅微/納米棒狀多級結構材料在導電錶面的直接電沉積製備技術，此方法產量大、成本極低，便於工業化推廣。
背景技術：
氧化鋅是一種II-VI族寬禁帶的半導體材料，晶體結構為纖鋅礦(Wurtzite)六方晶系，禁帶寬度為3. 37eV，室溫下具有較高的激子束縛能(60meV)和較低的電子誘生缺陷。 因此，氧化鋅在納米尺度的電子和光電設備中有著潛在的應用。現今已製備出氧化鋅「柱」、 「線」、「帶」、「管」、「梳」等形貌的納米結構材料。氧化鋅微/納米多級結構材料因為有較大的比表面積，在光電子器件等領域有著更潛在的應用。通常文獻中報導的製備氧化鋅多級結構材料的方法，需要較高的溫度和較長的時間。因此發展一種低溫、低成本、大量、迅速的製備氧化鋅多級結構材料的方法具有重要的意義。本發明所涉及的氧化鋅多級結構材料類似於狼牙棒狀，是由錐狀的主幹(長度可達10μm，平均直徑lμm)和從主幹上對稱長出的錐狀側枝(長度從IOnm至1 μ m)構成。這種結構在國內外均未見報導。
發明內容
本發明採用一種工藝簡單、可控、低成本的電化學方法，直接在鋼片、鋅片上製備氧化鋅棒狀多級結構材料。其具體工藝步驟為(1)分別準備鋼片、鋅片基底，並用去離子水、丙酮、無水乙醇清洗其表面。(2)取等物質量的0. 001-0. 01摩爾的可溶性鋅鹽與六亞甲基四胺溶於去離子水中，機械攪拌10-20分鐘，得到反應溶液。(3)將步驟⑵中所得到的反應溶液置於60°C -90°C的恆溫水浴中，用步驟(1)所得到的導電基底作為陰極，用等大小的石墨作為陽極；兩電極均在反應溶液中浸沒一定深度，同時在兩電極之間提供I-IOmA的恆定電流，反應時間為1-20分鐘。(4)反應結束後，將陰極導電基底取出，用去離子水洗滌，乾燥。在基底上可得到氧化鋅棒狀多級結構材料。
圖1是氧化鋅棒狀多級結構材料的X射線衍射譜。圖2是氧化鋅棒狀多級結構材料的掃描電鏡照片。圖3是單根氧化鋅棒狀多級結構材料的透射電鏡照片及對應位置的電子衍射。
具體實施例方式本發明的實施例僅用於進一步闡述本發明，而不限制本發明的範圍。對於本領域的技術人員對本發明的內容所進行的替代、改動或變更，這些等價形式同樣落入本申請所限定的範圍內。實施例1(1)將鋅片切割成2cmX Icm大小，用去離子水清潔表面，分別在洗滌劑、丙酮、無水乙醇中超聲清洗10分鐘，除去表面的有機物，最後再用去離子水超聲清洗；(2)取0.005摩爾硝酸鋅與0.005摩爾六亞甲基四胺溶於去離子水中，機械攪拌 10-20分鐘，得到反應溶液；(3)將步驟O)中所得到的反應溶液置於80°C的恆溫水浴中，用步驟(1)所得到的鋅片基底作為陰極，用等大小的石墨作為陽極；兩電極均在反應溶液中浸沒1釐米的深度，同時在兩電極之間用電化學工作站提供5mA的恆定電流，反應時間為10分鐘；(4)反應結束，將鋅片取出，用去離子水洗滌，在空氣中自然乾燥，即可得到氧化鋅棒狀多級結構材料。實施例2(1)將鋼片切割成2cmX Icm大小，用去離子水清潔表面，分別在洗滌劑、丙酮、無水乙醇中超聲清洗10分鐘，除去表面的有機物，最後再用去離子水超聲清洗；(2)取0. 005摩爾硝酸鋅與0. 005摩爾六亞甲基四胺溶於去離子水中，機械攪拌 10-20分鐘，得到反應溶液；(3)將步驟O)中所得到的反應溶液置於70°C的恆溫水浴中，用步驟(1)所得到鋼片作為陰極，用等大小的石墨作為陽極；兩電極均在反應溶液中浸沒1釐米的深度，同時在兩電極之間用電化學工作站提供5mA的恆定電流，反應時間為10分鐘；(4)反應結束，將鋼片取出，用去離子水洗滌，在空氣中自然乾燥，即可得到氧化鋅棒狀多級結構材料。圖2(a)為用實施例1方法得到的，在鋅片上的氧化鋅棒狀多級結構材料的掃描電鏡照片，表明此種類似於狼牙棒狀的多級結構材料產量豐富。是由錐狀的主幹(長度可達 10 μ m,平均直徑1 μ m)和從主幹上對稱長出的錐狀側枝(長度從IOnm至1 μ m)構成。圖 3是鋅片上得到的單根氧化鋅棒狀多級結構材料的透射電鏡照片及主幹與分支對應位置的電子衍射，表明主幹與分支都是沿002晶向生長的。圖2(b)為用實施例2方法得到的，在鋼片上的氧化鋅棒狀多級結構材料的掃描電鏡照片，此種結構有更光滑的表面與在鋅片上得到的結構類似。圖1(a)為在鋼片上得到的氧化鋅棒狀多級結構材料的X射線衍射譜，除了在鋼片上的衍射峰外，還有纖鋅礦較強的002衍射峰。表明此種物質是氧化鋅，是沿002 晶向擇優生長的，與在鋅片上得到的結果相符。本發明的關鍵技術特徵在於，在溶液濃度較低時，在陰、陽兩電極之間提供的I-IOmA的恆定電流，導致陰極較高的負電勢(在穩定情況下陰極電勢可以達到-3. 5V)，氧化鋅在較高負電勢下的快速生長。同時這種結構材料在國內外均未見報導。
權利要求
1.一種氧化鋅棒狀多級結構材料，其特徵在於所述氧化鋅棒狀多級結構材料是由錐狀的主幹(長度可達10 μ m,平均直徑1 μ m)和從主幹上對稱長出的錐狀側枝(長度從IOnm 至Iym)構成。
2.一種氧化鋅棒狀多級結構材料的電化學製備方法，其特徵在於包括以下步驟(1)準備鋅片、鋼片導電基底，並用去離子水、丙酮、無水乙醇清洗其表面。(2)取等物質量的0.001-0. 01摩爾可溶性鋅鹽與六亞甲基四胺溶於去離子水中，機械攪拌，得到反應溶液。(3)將步驟(2)中所得到的反應溶液置於60°C-90°C的恆溫水浴中，用步驟⑴所得到的導電基底作為陰極，用等大小的石墨作為陽極；兩電極均在反應溶液中浸沒一定深度，同時在兩電極之間提供I-IOmA的恆定電流，反應時間為1-20分鐘。(4)將陰極導電基底取出，用去離子水洗滌，乾燥。在基底上可得到氧化鋅棒狀多級結構材料。
3.按權力要求2所述的氧化鋅棒狀多級結構材料的電化學製備方法，其特徵在於所述的可溶性鋅鹽包括硝酸鋅、氯化鋅、醋酸鋅。
4.按權力要求2所述的氧化鋅棒狀多級結構材料的電化學製備方法，其特徵在於在反應溶液2中可溶性鋅鹽與六亞甲基四胺溶的濃度為0. 001-0. 01摩爾。
5.按權力要求2所述的氧化鋅棒狀多級結構材料的電化學製備方法，其關鍵技術特徵在於在低濃度電解質溶液中的兩電極之間所施加的I-IOmA的恆定電流或由此導致的-2V 至-5V的陰極電勢。
全文摘要
本發明公開了一種氧化鋅棒狀多級結構材料及其電化學製備方法。該氧化鋅棒狀多級結構材料是由錐狀的主幹(長度可達10μm，平均直徑1μm)和從主幹上長出的錐狀側枝(長度從10nm至1μm)構成，主幹和側枝都是沿氧化鋅C軸生長。電化學製備方法是將可溶性鋅鹽與六亞甲基四胺以低濃度直接溶於去離子水中作為反應溶液。選用鋼片、鋅片作為陰極，等大小的石墨作為陽極。陰極、陽極在溶液中浸沒相同的深度，同時在兩電極之間提供1-10mA的恆定電流，則可在導電基底上得到氧化鋅棒狀多級結構材料。這種方法所用的工藝簡單，成本極低，環境友好，便於工業化生產。所製備的氧化鋅微/納米材料在光電子器件、傳感器、光催化、太陽能電池等領域有著潛在應用。
文檔編號C25B1/00GK102485653SQ20101056771
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月1日 優先權日2010年12月1日
發明者呂學明, 楊剛強, 程進, 鄒小平 申請人:北京信息科技大學