一種白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的製備方法

2023-05-19 15:01:41

專利名稱：一種白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的製備方法，屬無機 單晶體化學物質氧化鋅的製備方法及應用的技術領域。
背景技術：
氧化鋅是一種具有重要應用價值的無機半導體材料，常溫下的禁帶寬度為
3.37ev，束縛激子能為60mev，在常溫下易被激發，而納米級氧化鋅由於粒子 尺寸小、比表面積大，具有表面效應、量子尺寸效應和久保效應，展現出許 多特殊性質，如無毒、非遷移性、螢光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力， 因而被廣泛應用於光電二極體、光電探測器、傳感器等領域；最近還發現氧 化鋅納米結構具有紫外雷射、壓電性能和光催化性能，使氧化鋅在新技術領 域的應用成為可能，例如在壓電材料、壓敏器件、高效催化劑等領域應用。
目前，氧化鋅的製備方法常用的有沉澱法，是在溶液中加入沉澱劑，在 高溫下分解沉澱產物；溶膠-凝膠法，水解、溶膠、凝膠、固化和熱處理它的 氧化物；氣相法，高溫加熱，將原料氧化、反應、冷卻成氧化物；水熱法， 是將鋅鹽和鹼混合置於高壓釜中，高溫下製得氧化物；這些方法雖然都能製得 氧化鋅產物，但都存在一些技術上的不足，有的製備周期長、成本高；有的 產物純度低，應用中受限制；有的產物形貌不規則，與共存物質難以匹配；還 有的在製備、提純過程中存在不利於工業化的弊端。

發明內容
發明目的
本發明的目的就是針對背景技術的不足，採用一種水浴反應法，通過原料的溶解、混合、攪拌，在水浴加熱狀態下進行化學反應、超聲洗滌、離心 機提純、真空乾燥，製得白色針葉形六稜狀單晶氧化鋅產物，以大幅度提高 氧化鋅單晶體的純度和產出率。 技術方案
本發明使用的化學物質材料為氯化鋅、氫氧化鈉、去離子水，其組合配 比如下以克、毫升為計量單位
氯化鋅ZnCl2 34.08g士0.005g 氫氧化鈉NaOH 100g土lg 去離子水H20 5000ml 士10ml
水浴水 H20 1 500ml 士10ml
製備方法如下
(1) 、潔淨處理試驗器皿
對製備使用的四口燒瓶、燒杯、攪拌器、容器、容量瓶、水循環冷凝 管、水浴缸、溫度計等進行潔淨處理，用去離子水1000ml分別超聲波清洗， 重複清洗進行三次，使其潔淨；
(2) 、乾燥處理試驗器皿
對清洗後的試驗器皿分別置於乾燥箱中，進行乾燥處理，乾燥溫度100 。C士5。C，乾燥時間30min士2min;
(3) 、配製氯化鋅水溶液
將氯化鋅34.08g士0.005g置於燒杯中，然後加入去離子500ml土5ml，用 磁力攪拌器攪拌20min士2min，使其溶解成氯化鋅水溶液；(4) 、配製氫氧化鈉水溶液
將氫氧化鈉100g土lg置於燒杯中，然後加入去離子水500ml士5ml，用磁 力攪拌器攪拌20min士2min，使其溶解成氫氧化鈉水溶液；
(5) 、加熱、水浴狀態溶液混合、化學反應、產物生成
① 將四口燒瓶置於水浴缸上，將水浴缸置於電熱套上，在水浴缸中加入 水浴水1500ml;
② 在四口燒瓶上由左至右並排插入溫度計、加液漏鬥、磁力攪拌器、水 循環冷凝管；
③ 將氫氧化鈉水溶液17. 5ml士0. 5ml由加液漏鬥加入到四口燒瓶內；
④ 將氯化鋅水溶液17. 5ml土0. 5ml由加液漏鬥加入到四口燒瓶內； (D通過加液漏鬥向四口燒瓶內加入去離子水20ml士lml，開啟磁力攪拌
器，氫氧化鈉水溶液、氯化鋅水溶液和去離子水混合、攪拌，成澄清透明 混合溶液；
⑥ 開啟電熱套，使水浴鍋內溫度由2crc士3。c升至6rc士rc;
⑦ 開啟水循環冷凝管的進水管、出水管、出氣孔，進行水循環冷凝，使 四口燒瓶內溫度恆定保持在60°C ± rc;
⑧ 氯化鋅+氫氧化鈉混合水溶液在水浴加熱、攪拌、水循環冷凝狀態下 進行化學反應，時間180min士5min，混合溶液由澄清轉化為白色渾濁溶液， 反應式如下
ZnCl2 + NaOH + H20 ^~,"。C~~> ZnO { + NaCl + H20 t
180min士5mm
式中
ZnO:氧化鋅NaCl:氯化鈉
(D氯化鋅+氫氧化鈉混合水溶液恆溫水浴加熱、攪拌、水循環冷凝、化
學反應時間為180min土5min;
⑩化學反應結束後，關閉電熱套、磁力攪拌器、水循環冷凝管，使反應 後的白色渾濁溶液靜置，隨四口燒瓶冷卻至20°C ± 3°C;
(6) 、離心分離
將化學反應生成的白色渾濁溶液置於無色透明的玻璃容器中，然後置於 離心機上進行離心分離，離心機轉速為2900r/min，離心分離時間為10min， 離心分離後，上層澄清溶液為廢液，倒掉，底部為初級產物並收集，即白 色、針葉形、六稜狀氧化鋅；
(7) 、離心洗滌初級產物
將收集的氧化鋅初級產物置於無色透明的玻璃容器中，加入洗滌劑去離 子水50ml士2ml，然後置於離心機上，進行離心洗滌，離心機轉速為2900r/min， 離心洗滌時間為10min;
離心洗漆重複進行三次；
(8) 、產物真空乾燥
將離心洗滌的初級產物置於無色透明的玻璃容器中，加入乾燥載體去離 子水50ml士2ml，然後置於真空乾燥箱中，進行真空乾燥處理，乾燥溫度為60 。C士2。C，真空度為200Pa，乾燥時間為240min士10min;
真空乾燥後得最終產物，即白色、針葉形、六稜狀、單晶、納米級氧化
鋅；
(9) 、檢測、化驗、分析、表徵對製備的白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的形貌、色澤、成分、純
度、晶體結構和化學物理性能進行檢測、化驗、分析、表徵；
用掃描電鏡儀進行形貌分析；
用投射電鏡儀進行晶體分析；
用X光粉末衍射儀進行晶體結構和純度分析；
用紫外-可見光分光光度儀進行光吸收性能分析；
氧化鋅純度99.5%，單晶體直徑80—100nm，最大長度2500nm;
(10)、產物儲存
製備的白色針葉形六稜狀單晶氧化鋅儲存於無色透明的玻璃容器中，密 閉保存，儲存於陰涼、乾燥、潔淨環境中，要防水、防潮、防酸鹼侵蝕，儲 存溫度20。C土3。C，相對溼度《10%。
所述的白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的製備，是以氯化鋅和氫氧 化鈉為原料，以氫氧化鈉為酸鹼度pH值鹼性調節劑，以去離子水為試驗器皿 清洗劑、化學物質溶解劑、離心洗滌劑和真空乾燥載體。
所述的製備的納米級氧化鋅產物形貌為白色、針葉形、六稜狀、單晶
體，產物粉粒單晶體直徑為80—IOO醒，最大長度為2500nm。
所述的白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的製備，是在水浴、加熱、 磁力攪拌、水循環冷凝狀態下完成的，在電熱套l的上部為水浴缸3，在水浴 缸3上放置四口燒瓶4，在四口燒瓶4上部由左至右依次安放橡皮塞5、 6、 7、8，橡皮塞5、 6、 7、 8上分別插入溫度計9、加液漏鬥10、磁力攪拌器11 、水循環冷凝管12，水循環冷凝管12上設有進水管13、出水管14和出氣孔 15，在電熱套1的右部設有控制器2，在水浴缸3內置放水浴水16，四口燒 瓶4內為氯化鋅+氫氧化鈉水溶液，化學反應產生的廢氣由出氣孔15排出，
水浴缸3內的水浴水16溫度為6rc士rc，四口燒瓶4內的氯化鋅+氫氧化 鈉水溶液溫度為6(rc土rc。
有益效果
本發明與背景技術相比具有明顯的先進性，它是根據氧化鋅的生成和晶 粒生長原理，而採用的製備方法，先配製氯化鋅水溶液和氫氧化鈉水溶液，
然後進行混合，在6rc士rc水浴加熱、攪拌、水循環冷凝狀態下，溶液進行 化學反應、晶粒生長、成白色渾濁溶液，經高速離心分離、清洗、真空乾燥， 最終分離出白色、針葉形、六稜狀、單晶納米級氧化鋅產物，此製備方法工
藝流程短，從原料到製成產物，在10小時內就可完成；加熱溫度低，只需60
°c，使用原料品種數量少，僅需氯化鋅、氫氧化鈉和去離子水；不需要加入 任何沉澱劑、表而活性劑和其他溶劑，產物形狀規則、清晰，色澤純正為白
色、針葉形、六稜狀、單晶體，直徑為80-100nm，最大長度為2500nm，化學 物理性能穩定、製備成本低、產出率高，可達65%，產物純度高，氧化鋅含量 可達99. 5%，是十分理想的製備單晶體納米級氧化鋅的方法。


圖1為製備工藝流程圖
圖2為氯化鋅和氫氧化鈉水溶液混合反應狀態圖 圖3為產物放大10000倍針葉形堆積狀態圖
12圖4為單根產物放大30萬倍六稜狀形貌圖
圖5為產物透射晶體堆積圖
圖6為產物透射和晶體衍射圖
圖7為產物粉末X光衍射強度圖譜
圖8為氧化鋅產物紫外-可見光吸收圖譜
圖中所示，附圖標記清單如下
1、電熱套，2、控制器，3、水浴缸，4、四口燒瓶，5、橡皮塞，6、橡 皮塞，7、橡皮塞，8、橡皮塞，9、溫度計，10、加液漏鬥，11、磁力攪拌器， 12、水循環冷凝管，13、進水管，14、出水管，15、出氣孔，16、水浴水， 17、氯化鋅+氫氧化鈉水溶液。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明做進一步說明
圖1所示，為製備工藝流程圖，要嚴格按工藝流程進行操作，按序進行。 製備所需化學物質的量值是按預先設置的範圍確定的，以克、毫升為計
量單位，當工業化製取時，以千克、升為計量單位。
製備所需的試驗器皿四口燒瓶、水浴缸、磁力攪拌器、燒杯、容器、水
循環冷凝管、溫度計等要進行超聲波清洗，保持潔淨，以防雜質介入，產生
副產物。
氯化鋅水溶液和氫氧化鈉水溶液要先行配製，嚴格按量值進行，攪拌混 合要充分。
氧化鋅晶體的製備是在電熱套加熱、水浴缸內浸放四口燒瓶、水循環冷凝、磁力攪拌狀態下進行實施的。
加熱溫度為6rc士rc，並保持恆定，四口燒瓶內溫度為6crc土rc，反 應廢氣由出氣孔排出，在加熱、攪拌的反應過程屮，產物晶粒生長成針葉形 六稜狀產物，生長機理如下
在反應初期，氯化鋅和氫氧化鈉反應生成具有雙性的氫氧化鋅物質，由 於溶液內氫氧化鈉過量，溶液具有強鹼性，在氫氧化鈉生成瞬間又和氫氧化 鈉反應，生成鋅的絡合離子，溶解在溶液中，隨著這種絡合離子的不斷生成 並達到飽和，開始不斷析出氧化鋅晶核，隨著加熱並伴隨攪拌的進行，晶核 不斷長大，隨著溶液濃度的下降，晶體生長逐漸減緩，形成最終產物。
加熱、攪拌反應完成後要進行離心分離,然後進行三次離心清洗，真空幹
燥後得最終產物，SP:白色、針葉形、六稜狀、單晶納米級氧化鋅。
製備流程要嚴格進行，產物儲存也要嚴格，以防影響其性能。
圖2所示，為氯化鋅和氫氧化鈉水溶液化學反應、晶粒生長狀態圖，各 部位置要正確，水浴水要浸沒四口燒瓶的3/4，四口燒瓶內的混合溶液要置於 水浴水的下部，要嚴格控制試驗時間、溫度和攪拌狀態。
圖3所示，為產物放大10000倍堆積狀態圖，圖中可知產物呈不規則堆 積，白色針葉形晶粒棒狀物相互交錯。
圖4所示，為單個產物放大30萬倍形貌圖，圖中可知:產物單個形貌為白 色六稜棒狀，棒的端而六稜明顯、規則，標尺單位為100nm。
圖5所示，為產物透射堆積晶休圖，圖中可知產物結構為堆積狀，標 尺單位為1 u m。
圖6所示，為單根產物透射和衍射斑點圖，圖中可知產物是結晶狀態良好的單晶體，標尺單位為200nm。
圖7所示，為產物粉末X射線衍射強度圖譜，縱坐標為相對強度指數， 橫坐標為衍射角20，圖中可知產物是純正的六方晶系氧化鋅晶體，沒有發 現任何其他雜峰，說明產物中無其他雜質，純度高，在37°處有一最高峰， 對應101位面，在73°處有一最小峰，對應於004位面。
圖8所示，為氧化鋅產物紫外-可見光吸收圖譜，橫坐標為光的波長，縱 坐標為吸光度，圖中可知在波長375nm處出現最高吸收峰，從波長大於420nm 開始的可見光波段吸收度開始下降，但有一定的吸收能力，說明產物對紫外 線有很強的吸收能力，並且在可見光波段也有一定程度的吸收，這是普通氧 化鋅材料所不具備的。
權利要求
1、一種白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的製備方法，其特徵在於使用的化學物質材料為氯化鋅、氫氧化鈉、去離子水，其組合配比如下以克、毫升為計量單位氯化鋅ZnCl2 34.08g±0.005g氫氧化鈉NaOH100g±1g去離子水H2O 5000ml±10ml水浴水H2O 1500ml±10ml製備方法如下(1)、潔淨處理試驗器皿對製備使用的四口燒瓶、燒杯、攪拌器、容器、容量瓶、水循環冷凝管、水浴缸、溫度計等進行潔淨處理，用去離子水1000ml分別超聲波清洗，重複清洗進行三次，使其潔淨；(2)、乾燥處理試驗器皿對清洗後的試驗器皿分別置於乾燥箱中，進行乾燥處理，乾燥溫度100℃±5℃，乾燥時間30min±2min；(3)、配製氯化鋅水溶液將氯化鋅34.08g±0.005g置於燒杯中，然後加入去離子500ml±5ml，用磁力攪拌器攪拌20min±2min，使其溶解成氯化鋅水溶液；(4)、配製氫氧化鈉水溶液將氫氧化鈉100g±1g置於燒杯中，然後加入去離子水500ml±5ml，用磁力攪拌器攪拌20min±2min，使其溶解成氫氧化鈉水溶液；(5)、加熱、水浴狀態溶液混合、化學反應、產物生成①將四口燒瓶置於水浴缸上，將水浴缸置於電熱套上，在水浴缸中加入水浴水1500ml；②在四口燒瓶上由左至右並排插入溫度計、加液漏鬥、磁力攪拌器、水循環冷凝管；③將氫氧化鈉水溶液17.5ml±0.5ml由加液漏鬥加入到四口燒瓶內；④將氯化鋅水溶液17.5ml±0.5ml由加液漏鬥加入到四口燒瓶內；⑤通過加液漏鬥向四口燒瓶內加入去離子水20ml±1ml，開啟磁力攪拌器，氫氧化鈉水溶液、氯化鋅水溶液和去離子水混合、攪拌，成澄清透明混合溶液；⑥開啟電熱套，使水浴鍋內溫度由20℃±3℃升至61℃±1℃；⑦開啟水循環冷凝管的進水管、出水管、出氣孔，進行水循環冷凝，使四口燒瓶內溫度恆定保持在60℃±1℃；⑧氯化鋅+氫氧化鈉混合水溶液在水浴加熱、攪拌、水循環冷凝狀態下進行化學反應，時間180min±5min，混合溶液由澄清轉化為白色渾濁溶液，反應式如下式中ZnO氧化鋅NaCl氯化鈉⑨氯化鋅+氫氧化鈉混合水溶液恆溫水浴加熱、攪拌、水循環冷凝、化學反應時間為180min±5min；⑩化學反應結束後，關閉電熱套、磁力攪拌器、水循環冷凝管，使反應後的白色渾濁溶液靜置，隨四口燒瓶冷卻至20℃±3℃；(6)、離心分離將化學反應生成的白色渾濁溶液置於無色透明的玻璃容器中，然後置於離心機上進行離心分離，離心機轉速為2900r/min，離心分離時間為10min，離心分離後，上層澄清溶液為廢液，倒掉，底部為初級產物並收集，即白色、針葉形、六稜狀氧化鋅；(7)、離心洗滌初級產物將收集的氧化鋅初級產物置於無色透明的玻璃容器中，加入洗滌劑去離子水50ml±2ml，然後置於離心機上，進行離心洗滌，離心機轉速為2900r/min，離心洗滌時間為10min；離心洗滌重複進行三次；(8)、產物真空乾燥將離心洗滌的初級產物中置於無色透明的玻璃容器中，加入乾燥載體去離子水50ml±2ml，然後置於真空乾燥箱中，進行真空乾燥處理，乾燥溫度為60℃±2℃，真空度為200Pa，乾燥時間為240min±10min；真空乾燥後得最終產物，即白色、針葉形、六稜狀、單晶、納米級氧化鋅；(9)、檢測、化驗、分析、表徵對製備的白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的形貌、色澤、成分、純度、晶體結構和化學物理性能進行檢測、化驗、分析、表徵；用掃描電鏡儀進行形貌分析；用透射電鏡儀進行晶體分析；用X光粉末衍射儀進行晶體結構和純度分析；用紫外-可見光分光光度儀進行光吸收性能分析；氧化鋅純度99.5％，單晶體直徑80-100nm，最大長度2500nm；(10)、產物儲存製備的白色針葉形六稜狀單晶氧化鋅儲存於無色透明的玻璃容器中，密閉保存，儲存於陰涼、乾燥、潔淨環境中，要防水、防潮、防酸鹼侵蝕，儲存溫度20℃±3℃，相對溼度≤10％。
2、 根據權利要求1所述的一種白色針葉形六稜狀單晶氧化鋅的製備方 法，其特徵在於所述的白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的製備，是以 氯化鋅和氫氧化鈉為原料，以氫氧化鈉為酸鹼度pH值鹼性調節劑，以去離子 水為試驗器皿清洗劑、化學物質溶解劑、離心洗滌劑和真空乾燥載體。
3、 根據權利要求1所述的一種白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的制 備方法，其特徵在於所述的製備的納米級氧化鋅產物形貌為白色、針葉 形、六稜狀、單晶體，產物粉粒單晶體直徑為80 - 100nm，最大長度為2500nm。
4、 根據權利要求1所述的一種白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的制 備方法，其特徵在於:所述的白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的製備，是 在水浴、加熱、磁力攪拌、水循環冷凝狀態下完成的，在電熱套1的上部為 水浴缸3，在水浴缸3上放置四口燒瓶4，在四口燒瓶4上部由左至右依次安 放橡皮塞5、 6、 7、 8，橡皮塞5、 6、 7、 8上分別插入溫度計9、加液漏鬥10、 磁力攪拌器ll、水循環冷凝管12，水循環冷凝管12上設有進水管13、出水管14和出氣孔15，在電熱套1的右部設有控制器2，在水浴缸3內置放水浴 水16，四口燒瓶4內為氯化鋅+氫氧化鈉水溶液，化學反應產生的廢氣由出氣孔i5排出，水浴缸3內的水浴水i6溫度為6rc土rc，四口燒瓶4內的氯化鋅+氫氧化鈉水溶液溫度為60°c±rc。
全文摘要
本發明涉及一種白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅的製備方法，它以氯化鋅和氫氧化鈉為原料，以氫氧化鈉為酸鹼度pH值的鹼性調節劑，以去離子水為溶劑、清洗劑、洗滌劑、真空乾燥載體，先配製氯化鋅和氫氧化鈉水溶液，並進行混合，在水浴加熱、攪拌、水循環冷凝狀態下，混合溶液進行化學反應，晶粒生長並析出，反應後，經離心分離、洗滌、真空乾燥，最終製成白色針葉形六稜狀單晶納米級氧化鋅產物粉末，此方法工藝周期短，加熱溫度低，使用原料少，產物形貌顏色純正、形狀規則，直徑為80-100nm，最大長度為2500nm，製備成本低，產出率高，可達65％，產物純度高，氧化鋅純度為99.5％。
文檔編號C30B29/62GK101514480SQ20091007384
公開日2009年8月26日 申請日期2009年2月25日 優先權日2009年2月25日
發明者李天保, 杜高輝, 楊永強, 許並社 申請人:太原理工大學