片狀均勻多孔結構ZnO納米粉體及其製備方法和應用的製作方法
2023-05-11 19:07:26 1
專利名稱：片狀均勻多孔結構ZnO納米粉體及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及無機納米材料及製備工藝領域，特別是指片狀均勻多孔結構SiO納米 粉體及其製備方法和應用。
背景技術：
納米氧化鋅(SiO)粒徑介於I-IOOnm之間，是一種面向21世紀的新型高功能精 細無機產品，表現出許多特殊的性質，如非遷移性、螢光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力 等。利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能，可製造氣體傳感器、螢光體、變阻器、紫外 線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。室 溫下，它的禁帶寬度為3. 37eV，激子結合能高達60meV，對應紫外光的發射可以開發短波長 光電器件，廣泛應用於短波長雷射器、太陽能電池、表面聲波和壓電材料。納米ZnO與普通 ZnO相比，其獨特的顏色效應、光催化作用及散射和吸收紫外線的能力，使其一經面世即倍 受青睞，在汽車工業、防曬化妝品、廢水處理、殺菌、環保、精細陶瓷、生物工程、圖象記錄材 料等方面有著十分廣泛的應用前景，被譽為面向21世紀的現代功能材料。當前，尋求氧化鋅的新結構、新性質和新的應用領域已成為材料研究重點之一。由 於納米ZnO這些獨特的性質強烈地依賴於他們的形貌和尺寸，因此不同形貌結構的納米 ZnO的合成引起了廣大研究工作者的極大興趣。據文獻報導，已通過水熱法、溶膠一凝膠法、 模板法、化學沉澱法、熱分解法、微波法分別製備出納米顆粒、納米棒、納米線、納米管、納米 帶和其他形貌的&ι0。目前，儘管S1O納米粉體的合成已經實現了批量生產，但片狀均勻多孔結構ZnO納 米粉體的合成仍是一個技術難點。多孔材料由於具有均勻分布的微孔或孔洞，孔隙率高、體 積密度小，還具有高的比表面積及其獨特的物理表面特性，並且不同的多孔性能夠改變材 料的物理和化學性質，因此多孔結構材料成為生物工程、環境工程、催化劑和傳感器領域中 一種具有發展前景的功能材料。專利CNlOl 177^6A公布了一種片狀多孔結構的ZnO納米粉體的製備方法，該方 法將醋酸鋅溶液與尿素溶液的混合液置於微波爐內，於500 900W的功率下反應30 60min,反應溫度為60 95°C，所得混濁溶液進行分離、洗滌、乾燥，得到鹼式碳酸鋅前驅 物。將鹼式碳酸鋅前驅物在400 600°C焙燒1. 5 池，得到多孔ZnO納米粉體。專利CN1444^2A公布了一種新型納米多孔薄膜及其製備方法，包括以下步驟 1.製備半導體材料的納米膠體溶液；2.加熱，使膠體溶液變成有團聚顆粒沉澱的乳濁液; 3.濃縮乳濁液；4.加入高分子表面活性劑並拌均成漿料；5.將漿料塗膜一次或多次；6.燒 結。專利CN1192991A公開了一種製備納米氧化鋅的新方法，其技術關鍵是以 &ι(Ν03)2為原料，尿素為均勻沉澱劑，尿素的水解溫度在122 之間，反應時間為 2 4h，反應物配比(尿素物質的量/硝酸鋅物質的量)在2 1 4 1之間，並將合成 的中間沉澱Zn (OH) 2在450 500°C下煅燒2. 5 3. 5h。
儘管這些方法都合成了具有孔結構的納米ZnO粉體，但是它們或存在能耗大、生 產周期長、或存在設備無法實現大規模生產等特點，使其推廣受到一定的限制。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點和不足，提供工藝簡單、成本低的片 狀均勻多孔結構ZnO納米粉體製備方法，製備出高純度的片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉 體。本發明的目的通過下述方案實現片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體的製備方 法，如下步驟 (1)、將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. IM 0. 6M的碳酸鈉溶液，將碳酸鈉溶液置於 反應容器中，在80 90°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加5 50KV 外電場，向反應容器中以5mL/min的速度滴加0. IM 0. 5M硝酸鋅溶液，其中硝酸鋅溶液與 碳酸鈉溶液的體積比為1 1 1.5，反應1. 池後，得到乳白色懸濁液；(2)、將步驟⑴得到的乳白色懸濁液洗滌、離心分離、乾燥、得到鹼式碳酸鋅前驅 物；(3)、將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在300 400°C焙燒2 池，得到片狀 均勻多孔結構的ZnO納米粉體。為了進一步改進，上述步驟(1)硝酸鋅溶液與碳酸鈉溶液的體積比為1 1 1. 5，反應2h後，得到乳白色懸濁液。為了具有更好的效果，步驟(1)硝酸鋅溶液以5mL/min的速度加入到碳酸鈉溶液中。上述步驟O)中乳白色懸濁液採用去離子水或者乙醇洗滌，洗滌3次 5次。上述製備方法，整個反應過程化學反應式可表示如下Na2C03+Zn (NO3) 2 — ZnC03+NaN03ZnCO3 — Zn0+C02上述製備方法，所得到的片狀均勻多孔結構的SiO納米粉體，所得到的片狀均勻 多孔結構的ZnO納米粉體，可應用於氣敏傳感器和太陽能電池電極材料中。本發明與現有技術相比，優點及效果在於本發明採用不同的濃度和反應溫度及 功率條件下，製備的納米ZnO產品為白色粉體，屬於六方晶系，比表面積大，純度高，產品質量好。本發明所製得的ZnO納米粉體具有全新的片狀多孔結構，孔洞分布均勻，純度高， 不含有其他形貌的aio。本發明所製得的片狀結構的多孔ZnO納米粉體性能穩定，長期置放在空氣中並不 改變性能。本發明工藝流程簡單，造價小，對設備要求低，操作簡便，可以進行大批量生產。
圖1為採用本方法製備的片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體的X —射線衍射譜 圖。
圖2為採用本方法製備的片狀均勻多孔結構的SiO納米粉體的掃描電鏡照片。圖3為採用本方法製備的片狀均勻多孔結構的SiO納米粉體的掃描電鏡照片。圖4為採用本方法製備的片狀均勻多孔結構的SiO納米粉體的透射電鏡照片。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細說明，但本發明的實施方式不限於 此。實施例1 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 2M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在90°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加50KV外電場，向反應 容器中滴加0. IM六水合硝酸鋅溶液，反應池後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟⑴得到的乳白色懸濁液用去離子水洗滌5次，離心分離，乾燥，得到鹼 式碳酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在400°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構 的ZnO納米粉體。實施例2 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 4M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在90°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加IOKV外電場，向反應 容器中滴加0.3M六水合硝酸鋅溶液，反應池後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟⑴得到的乳白色懸濁液用乙醇洗滌5次，離心分離，乾燥，得到鹼式碳 酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在350°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構 的ZnO納米粉體。實施例3 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 6M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在80°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加50KV外電場，向反應 容器中滴加0. 5M六水合硝酸鋅溶液，反應池後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟(1)得到的乳白色懸濁液用去離子水和乙醇洗滌5次，離心分離，乾燥， 得到鹼式碳酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在300°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構 的ZnO納米粉體。實施例4 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 6M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在80°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加50KV外電場，向反應 容器中滴加0. 5M六水合硝酸鋅溶液，反應1.證後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟(1)得到的乳白色懸濁液用去離子水和乙醇洗滌5次，離心分離，乾燥， 得到鹼式碳酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在300°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構 的ZnO納米粉體。
實施例5 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 6M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在80°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加50KV外電場，向反應 容器中滴加0. 5M六水合硝酸鋅溶液，反應2.證後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟(1)得到的乳白色懸濁液用去離子水和乙醇洗滌5次，離心分離，乾燥， 得到鹼式碳酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在300°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構 的ZnO納米粉體。實施例6 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 6M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在80°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加50KV外電場，向反應 容器中滴加0. 5M六水合硝酸鋅溶液，反應池後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟(1)得到的乳白色懸濁液用去離子水和乙醇洗滌5次，離心分離，乾燥， 得到鹼式碳酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在300°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構 的ZnO納米粉體。實施例7 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 2M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在90°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加50KV外電場，向反應 容器中滴加0. IM六水合硝酸鋅溶液，反應池後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟⑴得到的乳白色懸濁液用乙醇洗滌5次，離心分離，乾燥，得到鹼式碳 酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在400°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構 的ZnO納米粉體。實施例8 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 4M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在90°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加IOKV外電場，向反應 容器中滴加0.3M六水合硝酸鋅溶液，反應池後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟⑴得到的乳白色懸濁液用去離子水洗滌5次，離心分離，乾燥，得到鹼 式碳酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在350°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構 的ZnO納米粉體。實施例9 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 4M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在90°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加IOKV外電場，向反應 容器中滴加0.3M六水合硝酸鋅溶液，反應池後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟(1)得到的乳白色懸濁液用去離子水洗滌5次後，再用乙醇5次，離心 分離，乾燥，得到鹼式碳酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在350°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體。實施例10 (1)將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. 2M的碳酸鈉溶液，取該碳酸鈉溶液25mL於燒 瓶中，在90°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加50KV外電場，向反應 容器中滴加0. IM六水合硝酸鋅溶液，反應池後，得到乳白色懸濁液；(2)將步驟(1)得到的乳白色懸濁液用去離子水洗滌5次後，再用乙醇5次，離心 分離，乾燥，得到鹼式碳酸鋅前驅物；(3)將步驟(2)得到的鹼式碳酸鋅前驅物在400°C焙燒池，得到片狀均勻多孔結構 的ZnO納米粉體。本發明製備方法的，整個反應過程化學反應式可表示如下Na2C03+Zn (NO3) 2 — ZnC03+NaN03ZnCO3 — Zn0+C02上述實施例所得到的片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體，不但有利於開拓ZnO本 身獨特的性能和應用，而且有助於其他新的納米結構器件的開發和應用。例如，利用ZnO納 米粉體穩定的多孔結構，作為氣敏傳感器和太陽能電池電極材料等。如上所述便可較好的實現本發明。上述實施例僅為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例 的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體的製備方法，其特徵在於如下步驟(1)、將碳酸鈉原料溶於水中，配製0. IM 0. 6M的碳酸鈉溶液，將碳酸鈉溶液置於反應 容器中，在80 90°C的恆溫水浴條件下磁力攪拌，同時對反應容器持續施加5 50KV外電 場，向反應容器中滴加0. IM 0. 5M硝酸鋅溶液，其中硝酸鋅溶液與碳酸鈉溶液的體積比為 1 1 1.5，反應1.5h 3h後，得到乳白色懸濁液；O)、將步驟(1)得到的乳白色懸濁液洗滌、離心分離、乾燥、得到鹼式碳酸鋅前驅物；(3)、將步驟( 得到的鹼式碳酸鋅前驅物在300 400°C焙燒2 池，得到片狀均勻 多孔結構的ZnO納米粉體。
2.根據權利要求1所述的片狀均勻多孔結構的SiO納米粉體的製備方法，其特徵在於， 硝酸鋅溶液與碳酸鈉溶液的體積比為1 1 1.5，反應池後，得到乳白色懸濁液。
3.根據權利要求ι所述的片狀均勻多孔結構的aio納米粉體的製備方法，其特徵在於， 步驟(1)硝酸鋅溶液以5mL/min的速度加入到碳酸鈉溶液中。
4.根據權利要求1所述的片狀均勻多孔結構的SiO納米粉體的製備方法，其特徵在於， 所述硝酸鋅溶液為六水合硝酸鋅溶液。
5.根據權利要求ι所述的片狀均勻多孔結構的aio納米粉體的製備方法，其特徵在於， 步驟O)中乳白色懸濁液採用去離子水或者乙醇洗滌，
6.根據權利要求5所述的片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體的製備方法，其特徵在於， 所述洗滌的次數為3次 5次。
7.權利要求1所述製備方法，所得到的片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體。
8.權利要求7片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體的應用，其特徵在於，應用於氣敏傳感 器和太陽能電池電極材料中。
全文摘要
本發明公開了片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體及製備方法和應用，在恆溫水浴下將碳酸鈉溶液加入到反應容器中，再將硝酸鋅溶液滴入到碳酸鈉溶液中，並對反應容器持續施加50KV外電場，進行攪拌，反應溫度為80～90℃，滴加完成後將該溶液水浴保溫2h，結束後將所得混濁溶液進行分離、洗滌、乾燥，得到鹼式碳酸鋅前驅物在300～400℃焙燒2～3h，得到片狀均勻多孔結構的ZnO納米粉體；本發明屬於六方晶系，比表面積大，純度高，產品質量好，不含有其他形貌的ZnO；性能穩定，長期置放在空氣中並不改變性能，工藝簡單，造價小，設備要求低，操作便捷，適應大批量生產。
文檔編號C01G9/02GK102079539SQ20101052999
公開日2011年6月1日 申請日期2010年10月29日 優先權日2010年10月29日
發明者嵇海旭, 梁秀娟, 翁星星, 胡大為, 胡小芳 申請人:華南理工大學