一種ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料及其製備方法與流程
2023-05-17 10:37:07 1
本發明涉及異質結構納米材料領域，尤其涉及一種氧化物異質結構納米材料及其製備方法。
背景技術：
SnO2被認為是非常有潛力應用於當代乃至未來多個工業領域的一種氧化物材料，在最近幾年，SnO2的一維納米材料已經受到來自各個研究領域的關注，人們用單根的SnO2納米線作為溝道層來製備場效應電晶體；通過適當的功能化手段，將製備的網狀納米線製備成為性能優異的NO2氣敏傳感器，而且在樹狀的SnO2納米線中發現了非常強的螢光發光現象。
ZnO是另一種典型的多功能氧化物材料，特別是在光電子領域具有非常強的應用前景，比如藍光/紫外光電子器件等。由於其出色的性能，ZnO還在諸如平面顯示、自旋電子學、染料敏化太陽能電池、氣體傳感、生物傳感乃至鋰離子電池陽極材料等領域具有潛在的應用。
採用合適的生長方法將多種氧化物組合起來獲得更加複雜的一維納米結構，例如生長出具有樹枝結構的多元氧化物一維納米材料可能會使該材料具備特殊的性能，這種複合的多元氧化物納米結構不僅能夠兼具多種氧化物的性能，具有更大的比表面積，而且不同氧化物間的異質結構可能也會產生新的協同效應，從而產生出單一氧化物不具備的特殊優點。以氧化物納米材料在氣敏傳感方面的應用為例，樹枝狀氧化物異質結構納米線的材料可能會非常具有應用前景，因為在與氣體分子的相互作用過程中，將會有至少三種不同的作用方式產生：1）「樹幹」和「樹枝」都能夠與氣體分子產生相互作用；2）「樹幹」與「樹幹」、「樹枝」與「樹枝」之間接觸形成的同質結構勢壘將會產生特異的響應方式；3）「樹幹」與「樹枝」之間接觸形成的異質結構勢壘也會產生特異的響應方式。這是在單一組分的氧化物納米線中不可能產生的情況。這三種不同的作用方式協同產生時，將會使得材料的在氣敏響應過程中的靈敏度大大提高，從而促進優異性能氣敏傳感器的研究。
本發明正是基於上述相關背景，設計了一種ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料，並採用化學氣相沉積（CVD）方法製備出該納米材料，為其在氣敏傳感等領域的應用提供關鍵材料。
技術實現要素：
基於對生長異質納米結構的探索，本發明著力獲得一種結構優異的二元氧化物異質納米結構。
本發明提供了一種ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料，其特徵在於：「樹幹」為ZnO納米線，SnO2一部分以覆蓋的方式包裹在ZnO納米線表面，另一部分為以「樹枝」的形式從ZnO納米線「樹幹」表面生長出來的納米線。
進一步地，所述的一種ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料，ZnO納米線長度大於10μm，直徑為100~200nm，SnO2枝狀納米線長度為0.5~2μm。
本發明還提供了所述ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料的製備方法，其步驟如下：
1）準備一根一端封口的石英管，以質量比為1：1的氧化鋅（ZnO）和炭粉（C）的混合物為鋅源，稱取適量的鋅源置於石英管的封口端，將表面經過噴金處理的矽片置於石英管的開口端，然後將該石英管放置於雙溫區管式爐內，將放置鋅源的封口端置於右溫區，放置噴金矽片的開口端置於左溫區，然後設置右溫區溫度為900~1000℃，左溫區溫度為750~850℃，控制反應室壓力10torr，氧通量為1~5sccm，反應時間為30min，反應結束後取出矽片；
2）將步驟1）表面長有ZnO納米線的矽片進行再次噴金處理，然後放置於石英管的開口端，以質量比為1：1的氧化錫（SnO2）和炭粉（C）的混合物為錫源，稱取適量的錫源放置於石英管的封口端，然後將石英管放置於管式爐內，將放置錫源的封口端置於右溫區，放置長有ZnO納米線矽片的開口端置於左溫區，然後設置右溫區溫度為850~950℃，左溫區溫度為750~850℃，控制反應室壓力10torr，氧通量為1~5sccm，反應時間為20min，反應結束後取出矽片，即得到ZnO@SnO2樹枝狀異質納米結構。
本發明的有益成果在於：
1 本發明方法所述的ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料，採用CVD方法製備，可通過生長參數的改變調節納米材料的尺寸和形貌，以滿足不同的性能需求，ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料可實現有效可控制備。
2 ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料是一種複合材料，可兼具ZnO和SnO2兩種材料的優點，並形成新的協同效應，獲得更佳的綜合性能。
3 ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料具有典型的三維立體結構，「樹幹」為ZnO納米線，「樹枝」為SnO2納米線，這種結構分明的「樹」「枝」狀異質結構，相比於單純的ZnO納米線和SnO2納米線，具有更加廣泛的應用領域。
4 ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料所形成的多級結構，產生了新的納米形貌，是一種新的異質結構，並導致新的界面，而且較大的比表面積增加了反應的活性位點，從而可提升該納米複合材料的反應特性，拓展其在能源存儲、催化和傳感領域的應用前景。
5 採用CVD方法，僅使用水平管式爐設備，是一種工業化的設備，簡單易行，所用原料價廉，工藝簡明而易於操作，可實現大規模工業化生產。
附圖說明
圖1為實施例1實施過程中得到的ZnO納米線材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖。
圖2為實施例1製得的ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖。
圖3為實施例2製得的ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖。
圖4為實施例3製得的ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖。
圖5為本發明實施過程中採用的化學氣相沉積（CVD）水平管式爐設備示意圖。圖中1為爐管，2為石英管，3為左溫區，4為右溫區。
具體實施方式
以下結合具體實施例對本發明作進一步的說明。
實施例1
1）準備一根一端封口的石英管，置於如圖5化學氣相沉積（CVD）水平管式爐設備中，圖5為本發明實施過程中採用的CVD水平管式爐設備示意圖，是本發明ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料的專用生長設備。如圖5中石英管2右端封口，稱取0.1g鋅源置於石英管的封口端，將表面經過噴金處理的矽片置於石英管的開口端，如圖5中石英管2左端為開口端；然後將該石英管放置於雙溫區管式爐內，如圖5的CVD設備中，包括左溫區3和右溫區4兩個溫區，將放置鋅源的封口端置於右溫區4，放置噴金矽片的開口端置於左溫區3，然後設置右溫區溫度為900℃，左溫區溫度為750℃，控制反應室壓力10torr，氧通量為1sccm，反應時間為30min，反應結束後取出矽片。
2）將步驟1）表面長有ZnO納米線的矽片進行再次噴金處理，然後放置於石英管的開口端，稱取0.01g錫源放置於石英管的封口端，然後將石英管放置於管式爐內，將放置錫源的封口端置於右溫區，放置長有ZnO納米線矽片的開口端置於左溫區，然後設置右溫區溫度為950℃，左溫區溫度為850℃，控制反應室壓力10torr，氧通量為3sccm，反應時間為20min，反應結束後取出矽片，即得到ZnO@SnO2樹枝狀異質納米結構。
圖1為實施例1實施過程中得到的ZnO納米線材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，ZnO納米線長度大於10μm，直徑100~200nm，在其它實施例實施過程中得到的ZnO納米線也與此類似。
圖2為實施例1製得的ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，SnO2「樹枝」長度約500nm。
實施例2
1）準備一根一端封口的石英管，稱取0.3g鋅源置於石英管的封口端，將表面經過噴金處理的矽片置於石英管的開口端，然後將該石英管放置於雙溫區管式爐內，將放置鋅源的封口端置於右溫區，放置噴金矽片的開口端置於左溫區，然後設置右溫區溫度為950℃，左溫區溫度為800℃，控制反應室壓力10torr，氧通量為3sccm，反應時間為30min，反應結束後取出矽片。
2）將步驟1）表面長有ZnO納米線的矽片進行再次噴金處理，然後放置於石英管的開口端，稱取0.05g錫源放置於石英管的封口端，然後將石英管放置於管式爐內，將放置錫源的封口端置於右溫區，放置長有ZnO納米線矽片的開口端置於左溫區，然後設置右溫區溫度為900℃，左溫區溫度為800℃，控制反應室壓力10torr，氧通量為5sccm，反應時間為20min，反應結束後取出矽片，即得到ZnO@SnO2樹枝狀異質納米結構。
圖3為實施例2製得的ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，SnO2「樹枝」長度約1μm。
實施例3
1）準備一根一端封口的石英管，稱取0.5g鋅源置於石英管的封口端，將表面經過噴金處理的矽片置於石英管的開口端，然後將該石英管放置於雙溫區管式爐內，將放置鋅源的封口端置於右溫區，放置噴金矽片的開口端置於左溫區，然後設置右溫區溫度為1000℃，左溫區溫度為850℃，控制反應室壓力10torr，氧通量為5sccm，反應時間為30min，反應結束後取出矽片。
2）將步驟1）表面長有ZnO納米線的矽片進行再次噴金處理，然後放置於石英管的開口端，稱取0.1g錫源放置於石英管的封口端，然後將石英管放置於管式爐內，將放置錫源的封口端置於右溫區，放置長有ZnO納米線矽片的開口端置於左溫區，然後設置右溫區溫度為850℃，左溫區溫度為750℃，控制反應室壓力10torr，氧通量為1sccm，反應時間為20min，反應結束後取出矽片，即得到ZnO@SnO2樹枝狀異質納米結構。
圖4為實施例3製得的ZnO@SnO2樹枝狀異質結構納米材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，SnO2「樹枝」長度約2μm。
在上述各實施例中，使用的鋅源均為質量比為1：1的氧化鋅（ZnO）和炭粉（C）的混合物，使用的錫源均為質量比為1：1的氧化錫（SnO2）和炭粉（C）的混合物，其中氧化鋅（ZnO）、氧化錫（SnO2）、炭粉（C）均為分析純。