一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法
2023-04-27 13:30:56 1
專利名稱：一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法
技術領域：
本發明涉及一種合成ZnO納米棒陣列的方法。
背景技術：
ZnO是一種重要的寬禁帶半導體材料，除具有優異的光學、電學性能外，同時集壓 電性能，儲氫性能，熱釋電性能，場發射性能，氣敏特性等多種性能於一身，使其在化學、生 物傳感、太陽能電池、光催化、變頻器、光電子和平板顯示等領域具有廣泛的應用。一維氧化 鋅納米結構的製備方法主要有氣相法和液相法兩種。氣相合成一般需要較高的溫度和昂貴 的設備，且產量較低，反應參數對最終形貌影響較大。水熱法因其所需設備簡單，反應溫度 低，操作方便，適合大規模生產而備受人們採用。然而現有水熱法需要首先製備ZnO種子 層，且ZnO種子層的質量好壞直接影響後序ZnO納米棒的生長，步驟複雜，ZnO納米棒質量 不易控制。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有ZnO納米棒陣列的合成需要在襯底上預製ZnO種子 層、工藝複雜的問題，本發明提供了一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法。本發明一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法是通過以下步驟實現的一、將醋 酸鋅和六次甲基四氨混合後加入去離子水中，攪拌溶解20 40min，然後再加入氨水，攪拌 均勻得混合溶液，其中醋酸鋅和六次甲基四氨的摩爾比為1 1，氨水與醋酸鋅的摩爾比為 0.2 1，醋酸鋅的摩爾量與去離子水體積的比例為Imol 6L;二、將鋅片置於無水乙醇中 超聲清洗20 40min;三、將步驟二處理後的鋅片與混合溶液一起放入高壓反應釜中，然後 將高壓反應釜加熱至120 150°C，並保溫6 8h，然後自然冷卻，取出鋅片，用去離子水清 洗後乾燥即得ZnO納米棒陣列。本發明步驟三中混合溶液的用量只要浸沒鋅片即可。本發明的大規模合成ZnO納米棒陣列的方法是一種全新的、簡易的合成方法，採 用鋅片為襯底和反應物，無需對鋅片進行修飾生長ZnO種子層，在鋅片上直接合成ZnO納米 棒。本發明採用醋酸鋅、氨水和六次甲基四氨常用藥品，而且有機溶劑六次甲基四氨不需提 純，成本低；設備條件簡單，反應條件溫和，一般在130°C以下，而且反應過程中不產生有害 氣體；可一次性進行高產量氧化鋅納米棒的製備。
圖1是具體實施方式
一得到的ZnO納米棒陣列的X射線衍射測試曲線圖，其中*為 Zn特徵峰；圖2是具體實施方式
九合成的ZnO納米棒陣列掃描電子顯微鏡(SEM)形貌表徵 圖；圖3是具體實施方式
九合成的ZnO納米棒陣列掃描電子顯微鏡(SEM)形貌表徵圖；圖4 是具體實施方式
九合成的ZnO納米棒陣列透射電子顯微鏡(TEM)形貌圖；圖5是具體實施 方式九合成的ZnO納米棒陣列電子衍射衍射圖；圖6是具體實施方式
九合成的ZnO納米棒陣列室溫光致發光光譜圖；圖7是具體實施方式
九合成的ZnO納米棒陣列接觸角測試圖。
具體實施例方式本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的 任意組合。
具體實施方式
一本實施方式大規模合成ZnO納米棒陣列的方法是通過以下步驟 實現的一、將醋酸鋅和六次甲基四氨混合後加入去離子水中，攪拌溶解20 40min，然後 再加入氨水，攪拌均勻得混合溶液，其中醋酸鋅和六次甲基四氨的摩爾比為1 1，氨水與 醋酸鋅的摩爾比為0.2 1，醋酸鋅的摩爾量與去離子水體積的比例為Imol 6L;二、將鋅 片置於無水乙醇中超聲清洗20 40min ；三、將步驟二處理後的鋅片與混合溶液一起放入 高壓反應釜中，然後將高壓反應釜加熱至120 150°C，並保溫6 8h，然後自然冷卻，取出 鋅片，用去離子水清洗後乾燥即得ZnO納米棒陣列。本實施方式步驟三中混合溶液的用量只要浸沒鋅片即可。本實施方式的方法簡單易行，設備簡單，操作安全，產率高，成本低，得到的ZnO納 米棒純度高，直徑可控，重複性很高，易於工業化大規模生產。本實施方式得到ZnO納米棒為六方纖鋅礦結構，延(0001)方向快速、均勻生長，具 有很好結晶質量和化學計量比，直徑可控，為20 60nm，長度在3 4微米，尺寸均一，尺寸 在(0001)方向上均勻分布。本實施方式將得到的ZnO納米棒陣列進行X射線衍射測試(XRD)，測試結果如圖 1所示，由圖1中XRD曲線可知，本實施方式合成的氧化鋅納米棒結構為六方纖鋅礦結構 (JCPDS No. 36-1451)，其中標記有「*」符號的峰為鋅單質的特徵峰，記為襯底鋅片的特徵 峰。此外，再無任何雜峰。說明，在產物中，除了沒有反應完的鋅襯底外，再無其他雜質，純度尚。本發明的合成方法得到的ZnO納米棒陣列為六方纖鋅礦結構，延(0001)方向快 速、均勻生長，具有很好結晶質量和化學計量比，直徑可控，為20 60nm，長度在3 4微 米，尺寸均一，尺寸在(0001)方向上均勻分布。本發明得到的ZnO納米棒陣列具有很好的疏水性，與水的接觸角為105° 115°。本發明得到的ZnO納米棒陣列同時具有很好的光學性能，在入射峰為245nm的條件 下室溫光致發光，在383nm處有一個寬帶發射峰。本發明的方法簡單易行，設備簡單，操作安全，產率高，成本低，得到的ZnO納米棒 陣列直徑可控，重複性很高，易於工業化大規模生產；得到的ZnO納米棒陣列可應用在氣敏 材料、傳感器、光探測器等領域，同時可用在自清潔設備和固體潤滑油。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中攪拌溶解 30min得混合溶液。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟二中採用型號 為KQ2200DB的數控超聲波清洗器，用額定功率的50% 99%的超聲波功率超聲清洗。其它 步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟二中採用型號 為KQ2200DB的數控超聲波清洗器，用額定功率的99%的超聲波功率超聲清洗。其它步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四不同的是步驟二中超聲清洗 30min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五不同的是步驟二中鋅片是質量純度為99. 98%。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六不同的是步驟三中將高壓反 應釜加熱至125 140°C，並保溫6. 5 7. 5h。其它步驟及參數與具體實施方式
一至六相 同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至六不同等是步驟三中將高壓反 應釜加熱至130°C，並保溫7h。其它步驟及參數與具體實施方式
一至六相同。
具體實施方式
九本實施方式大規模合成ZnO納米棒陣列的方法是通過以下步驟 實現的一、將5mmol醋酸鋅和5mmol六次甲基四氨混合後加入30mL去離子水中，攪拌溶解 30min得混合溶液；二、將鋅片置於無水乙醇中超聲清洗30min ；三、將步驟二處理後的鋅片 與混合溶液一起放入高壓反應釜中，然後將高壓反應釜加熱至130°C，並保溫7h，然後自然 冷卻，取出鋅片，用去離子水清洗後乾燥即得ZnO納米棒陣列。本實施方式步驟三中混合溶液的用量只要浸沒鋅片即可。本實施方式將合成的ZnO納米棒陣列進行掃描電子顯微鏡(SEM)形貌表徵，形貌 圖分別如圖2和圖3所示。由圖2可見，合成的ZnO納米棒陣列生長方向一致，尺寸均一； 由圖3可見，合成的ZnO納米棒陣列直徑為20 60nm，長度在3 4微米，而且每個納米棒 的頂部和表面都是光滑的。本實施方式將合成的ZnO納米棒陣列進行透射電子顯微鏡(TEM)形貌表徵，形貌 圖如圖4所示，由圖4可見，ZnO納米棒的尺寸沿著生長方向均勻分布，均為20nm左右，而 且ZnO納米棒結構沒有缺陷。本實施方式對合成的ZnO納米棒陣列進行電子衍射測試，所得電子衍射圖如圖5 所示。由圖5可見，氧化鋅納米棒陣列的生長方向是沿著(0001)方向，也就是氧化鋅最快 的生長方向；由圖5我們也可得出合成的ZnO納米棒是六方纖鋅礦單晶結構。本實施方式將合成的ZnO納米棒陣列採用美國SPEX公司生產的型號為FL-272的 紫外螢光光譜儀在入射峰為245nm的條件下進行室溫光致發光測試，所得室溫光致發光圖 譜如圖6所示，由圖6可見，只在約383nm處有一寬的發射峰，再無其他雜峰，說明合成的納 米棒陣列具有很好的結晶質量和化學計量比。本實施方式將合成的ZnO納米棒陣列進行接觸角測試，測試結果如圖7所示，由圖 7可見，合成的ZnO納米棒陣列的水接觸角在110°。說明合成的納米結構有很好的疏水性 能。綜上，本實施方式合成的ZnO納米棒具有很好的光學性能和疏水性能，可用於氣 敏材料、傳感器、光探測器等領域，同時可用在自清潔設備和固體潤滑油。
權利要求
一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法，其特徵在於大規模合成ZnO納米棒陣列的方法是通過以下步驟實現的一、將醋酸鋅和六次甲基四氨混合後加入去離子水中，攪拌溶解20～40min，然後再加入氨水，攪拌均勻得混合溶液，其中醋酸鋅和六次甲基四氨的摩爾比為1∶1，氨水與醋酸鋅的摩爾比為0.2∶1，醋酸鋅的摩爾量與去離子水體積的比例為1mol∶6L；二、將鋅片置於無水乙醇中超聲清洗20～40min；三、將步驟二處理後的鋅片與混合溶液一起放入高壓反應釜中，然後將高壓反應釜加熱至120～150℃，並保溫6～8h，然後自然冷卻，取出鋅片，用去離子水清洗後乾燥即得ZnO納米棒陣列。
2.根據權利要求1所述的一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法，其特徵在於步驟一 中攪拌溶解30min得混合溶液。
3.根據權利要求1或2所述的一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法，其特徵在於步 驟二中超聲清洗30min。
4.根據權利要求3所述的一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法，其特徵在於步驟二 中鋅片為質量純度為99. 98%。
5.根據權利要求1、2或4所述的一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法，其特徵在於 步驟三中將高壓反應釜加熱至125 140°C，並保溫6. 5 7. 5h。
6.根據權利要求1、2或4所述的一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法，其特徵在於 步驟三中將高壓反應釜加熱至130°C，並保溫7h。
全文摘要
一種大規模合成ZnO納米棒陣列的方法，它涉及一種合成ZnO納米棒陣列的方法。本發明解決了現有ZnO納米棒陣列的合成需要在襯底上預製ZnO種子層、工藝複雜的問題。本發明大規模合成ZnO納米棒陣列的方法為將醋酸鋅和六次甲基四氨混合後加入去離子水中溶解得混合溶液，然後將混合溶液與鋅片同時放入高壓反應釜中加熱反應即得。本發明的方法簡單易行，設備簡單，無需對鋅片進行修飾，產率高，成本低，得到的ZnO納米棒陣列直徑可控，為20～60nm，具有很好的光學性能和疏水性能，易於工業化大規模生產，其水接觸角為105°～115°，應用在氣敏材料、傳感器、光探測器等領域，同時可用在自清潔設備和固體潤滑油。
文檔編號C01G9/02GK101798106SQ20091031145
公開日2010年8月11日 申請日期2009年12月15日 優先權日2009年12月15日
發明者宮麗紅, 武祥, 陳慧波 申請人:哈爾濱師範大學