一種製取氧化鋅晶須的方法
2023-06-01 00:29:46 1
專利名稱：一種製取氧化鋅晶須的方法
專利說明一種製取氧化鋅晶須的方法 本發明涉及材料研究領域，特別涉及單晶材料製備領域。目前，四針狀氧化鋅晶須的製備主要有以下方法第一種方法是由日本松下公司報導的，其主要內容是先將鋅粉在特製的溶液中處理，使其表面氧化，再將這種鋅粉在950℃左右氧化1小時，製備出氧化鋅晶須，產率達原料的40～75％，四針狀晶須達60％以上。第二種方法是中國專利ZL94111823.1公開的製備方法，其特點是將金屬鋅粉與碳粉混合，利用碳消耗部分氧氣，在大氣環境下製備氧化鋅晶須。第三種方法是中國專利ZL94107349.1公開的製備方法，其特點是將鋅粉放入一端開口的管式爐中，利用在爐管內形成溫度梯度的方法，製備氧化鋅晶須。第四種方法是中國專利ZL97107607.1公開的製備方法，其特點是利用空氣受熱膨脹的原理，依照爐子的體積控制鋅粉的加入量，使鋅粉在相對缺氧的條件下氧化生成氧化鋅晶須，產率為原料的90％以上，晶須純度大於96％。
以上製備方法，各有特點，但都普遍存在晶須轉化率低及均勻性差的問題，而且對原料鋅粉的純度(≥99.8％)和粒度(≤76μm)要求嚴格，T-ZnO晶須的製備成本較高。為了克服以上缺陷，特提出本發明。
本發明的目的由以下技術方案實現本發明採用粒度小於3mm的熱鍍鋅渣為原料，在爐溫升高至850-1000℃時，再將盛有原料的反應器放入爐內，同時通入氧氣和氮氣作為反應氣氛，保溫時間15-25分鐘，即可製備外觀為白色疏鬆的四針狀氧化鋅晶須。
本發明所述的熱鍍鋅渣係指各種鋼材、鋼件熱鍍鋅後的底渣，含Zn≥90％，含Fe≤10％。
反應氣氛還可以是空氣—氮氣氣氛，或僅用空氣作氧化氣體。
所述反應器的高度和底面的直徑之比為1～4，反應器體積和原料裝入量之比為15-150ml/g鋅渣。
通過控制不同的氧氣流量，本發明所用原料和反應器還可製備多針狀氧化鋅晶須。
鋅的平衡蒸氣壓和溫度的對應關係從750℃起，平衡蒸氣壓隨溫度升高而急劇增大，在907℃時，平衡蒸氣壓達到101KPa。但在大氣壓下鋅蒸氣氧化反應的平衡蒸氣壓不可能超過101KPa，因此，溫度應控制在750-1050℃之間。
鋅的蒸氣壓除了與溫度有關外，還和反應器的容積有關係。在有一定高度的反應器中，降低氧的分壓，鋅的蒸發速度減小，鋅蒸氣可以上升到較高的位置才與氧發生反應，若提高氧的分壓，鋅的蒸發速度將增大，氧化反應發生在液態鋅的表面上，生成的氧化膜將阻礙鋅蒸氣的蒸發，使氧化反應終止。
熱鍍鋅渣中的主要雜質Fe和Pb的熔點分別是1536℃和327℃，在750-1050℃溫度下，鋅基本上可全部揮發，鐵、鉛等雜質的絕大部分將富集在殘渣中，雜質元素只有極微量的揮發，不影響晶須的純度本發明與現有技術相比，有以下優點本發明直接採用工業固體廢物——熱鍍鋅渣為原料，對粒度和純度沒有特定要求，不僅大大拓寬了製備氧化鋅晶須的原料來源、顯著降低了生產成本，而且為熱鍍鋅渣提供一種簡單易行、效益很高的回收利用方法；晶須的製備在常壓和較低的溫度下進行，原料破碎後無需進一步處理，無須添加其它輔料，鋅的直接回收率達90％以上，晶須純度大於98％，且生產工藝簡單，容易實現規模化生產。
圖1本發明製備的四針狀氧化鋅晶須的掃描電鏡(SEM)形貌；其中圖1-a四針狀氧化鋅晶須，圖1-b單個四針狀氧化鋅晶須。
圖2本發明製備的多針狀氧化鋅晶須的掃描電鏡(SEM)形貌。其中圖2-a多針狀氧化鋅晶須，圖2-b單個多針狀氧化鋅晶須。
圖3本發明製備的氧化鋅晶須的XRD圖譜。實施例1稱取粒度小於3mm的碎熱鍍鋅渣5g，熱鍍鋅渣的化學成分如表一所示，置於高度和直徑之比為2.5，體積為80ml的坩鍋內，再將坩鍋放入已預先加熱至850～1000℃的管狀電爐中，通入氧氣和氮氣，流量控制是氧氣10～30l.h-1；氮氣120～260l.h-1；反應15～25分鐘即得到白色疏鬆的的氧化鋅晶須，產量約4.5g，製備的氧化鋅晶須的雜質含量如表二所示。
合成晶須的形貌如圖1所示，晶須為規整四針狀，從中心體向外伸出四個空間角度不同的針狀體，針體部分是平整光滑的細長六方錐狀晶體，任意兩個針狀體之間的夾角大約109°，合成晶須的尺寸均勻，中心體邊長5～6μm，針狀體長100～130μm，是尺度較大的晶須。針狀體之間沒有出現二次生長的片晶，也沒有顆粒狀的ZnO出現。
表一 熱鍍鋅渣的化學成分％樣品 Zn Fe Pb As Sb Cu Co Ni In1 93.74.22 0.57 0.0050 0.027 0.015 0.0031 0.0047 0.0912 94.33 4.91 0.038 0.0025 0.0031 0.012 0.013 0.051 /表二 本發明製備的氧化鋅晶須的雜質含量×10-4％樣品 Fe Pb As Sb Cu Co Ni In1 44.5 560.4 7.7230.8 0.99.5 14.8 /2 32.9 302.2 8.6237.4 1.18.4 13.4 /實施例2稱取粒度約為1cm的碎熱鍍鋅渣10g，置於高度和直徑之比為1.8，體積為0.9升的容器內，其餘同實施例1。產量約9.2g，晶須的形貌如圖1所示。
實施例3稱取粒度小於3mm的碎熱鍍鋅渣5g，置於高度和直徑之比為2.5，體積為80ml的坩鍋內，再將坩鍋放入已預先加熱至850-1000℃的管狀電爐中，通入氧氣和氮氣，流量控制是氧氣1～10l.h-1；氮氣120～260l.h-1；反應15-25分鐘即得到白色疏鬆的的氧化鋅晶須，產量約4.5g。
合成晶須的形貌如圖2所示，晶須為多針狀體。
實施例4稱取粒度約為1cm的碎熱鍍鋅渣10g，置於高度和直徑之比為1.8，體積為0.9升的容器內，其餘同實施例2。產量約9.2g，晶須的形貌如圖2所示。
權利要求
1一種氧化鋅晶須的製備方法，其特徵在於直接以熱鍍鋅渣為原料，在爐溫升高至850-1000℃時，再將盛有原料的反應器放入爐內，同時通入氧氣和氮氣作為反應氣氛，保溫時間15-25分鐘。
2根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述原料--熱鍍鋅渣係指各種鋼材、鋼件熱鍍鋅後的底渣，含Zn≥90％，含Fe≤10％。
3根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述反應氣氛還可以是空氣—氮氣氣氛，或僅用空氣作氧化氣體。
4根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述反應器的高度和底面的直徑之比為1～4，反應器體積和原料裝入量之比為15-150ml/g鋅渣。
5根據權利要求1所述的方法，其特徵在於通過控制不同的氧氣流量，還可製備多針狀氧化鋅晶須。
全文摘要
本發明涉及氧化鋅晶須的一種製備方法，屬於無機材料製備領域。該製備方法利用鋅蒸氣壓與溫度的關係，直接以熱鍍鋅渣為原料，將裝有鋅渣的反應器置於特製的電爐內，在一定的氣氛中反應相應的時間，即生成外觀為白色疏鬆的的氧化鋅晶須，本發明具有原料要求低、設備簡單、易實現工業化生產等優點，產率達90％以上，晶須ZnO含量大於98％，對鋅資源的直接深度加工和複合材料的製備具有重要的意義。本發明還可製備多針狀氧化鋅晶須。
文檔編號C01G9/00GK1566417SQ0312455
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月17日 優先權日2003年6月17日
發明者陳藝峰, 唐謨堂, 楊聲海, 唐朝波, 姚維義, 何靜 申請人:中南大學