[发明专利]一种掺杂氧化锌纳米粉体的规模化可控制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺杂氧化锌纳米颗粒的规模化可控制备方法。掺杂氧化锌纳米颗粒可广泛应用于透明导电材料、气敏传感器、薄膜太阳能电池、导电浆料、紫外线防护，磁屏蔽，防静电等领域。

背景技术

众所周知，金属一般是不透明的，也就是说其在可见光(400nm-800nm)范围内它的透射率为零。但一些宽禁带金属氧化物半导体材料如SnO₂，In₂O₃，ZnO，CdO等在可见光波段范围内拥有较高的透射率，此外通过掺杂又具有优良的导电性能，这一类材料被称为透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxides，TCOs)。其中，氧化锌基材料由于具有低成本、无毒的特性从而引起了人们极大关注和浓厚兴趣，被广泛应用在功能陶瓷、日用化工、涂料、太阳能光伏电池及光电功能器件等方面。由于氧化锌具有纤锌矿结构，锌离子易于被其他金属离子(铝、镓、铟、锡、铬、镁、等)取代，从而赋予其更新颖的物理化学性能，例如，尽管氧化锌本身是导电率不高的半导体(～10¹⁴Ω·cm)，但是经过铝、镓掺杂后的氧化锌其导电性能比纯氧化锌有了很大的提高，其粉体电阻率可降到～10²Ω·cm，可见光波段的透光性达到80％以上，禁带宽度可提高到4.0eV，可应用于制备透明导电浆料以及磁控溅射用氧化物陶瓷靶材。

目前掺杂ZnO粉体大多采用ZnO粉体与掺杂金属氧化物粉体通过机械混合的方式制备，这种混合会导致粉体的无规均匀性混合，重复性较差，无法对粉体的粒径、粒度、形貌、结构以及均匀性进行控制。US7182929介绍一种均匀掺杂的方法，将掺杂元素的阳离子配成溶液，加入有机高分子溶剂做分散剂，然后将氧化锌粉末分散到溶剂中加热，掺杂金属阳离子通过扩散均匀分布在氧化锌粉体中，实现了均匀参杂，但这种方法的弊端在于对粉末的单分散性要求苛刻，粉末只能为一次颗粒，若粉末中出现部分团聚成为二次颗粒，由于粉体粒度分布范围宽而影响了掺杂的均匀性，且得到的粒子团聚严重。US7094289介绍了一种喷雾热解的方法，将金属氧化物的前驱体熔融混合，载气输送在喷嘴处发生反应，通过控制载气的流速实现均匀掺杂，但该方法反应温度高，虽然可得到晶型好，分散性好，掺杂均匀的晶体，但颗粒的粒径不易控制，尤其难得到小粒径的纳米粉体，从而限制了其在很多领域的应用。US7423512介绍了一种激光束热解的方法，多种成分的金属无机盐溶液在反应腔内经激光束辐射分解，形成粒径均匀、尺寸可控、掺杂均匀、结晶完全的纳米颗粒，但本方法不适于大规模工业化生产。本发明阐述了采用溶胶凝胶法制备纳米级掺杂氧化锌粉体的过程。它的突出优势是原料易得、制造成本低廉、无毒、易于实现掺杂、且得到的粉体成分、粒径均匀，团聚低，同时具有很好的光学和电学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种方法设备简单、操作简易、成本低的掺杂氧化锌纳米粉体的规模化可控制备方法，本发明得到的掺杂氧化锌纳米粉体有纯的相结构，高的比表面积，粒径均匀可控，掺杂均匀，分散性好等特点，同时粉体有很好的光电性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种掺杂氧化锌纳米粉体的规模化可控制备方法，其特征在于：

a.溶液的配制：

将硝酸锌、掺杂金属元素硝酸盐和柠檬酸溶解于去离子水中，形成0.2～0.9mol/L硝酸锌溶液，其中，硝酸锌和柠檬酸的摩尔比为1∶0.5～3，掺杂金属元素硝酸盐的掺杂浓度为0～25at％(原子百分比)，然后搅拌直至完全溶解，形成透明无色溶液；

按硝酸锌与表面活性剂的摩尔比1∶0.005～3的量来称取表面活性剂并溶解于去离子水中，经搅拌成0.06～0.24mol/L透明溶液；

然后将表面活性剂溶液加入到柠檬酸溶液中。

b.接着将硝酸盐、柠檬酸、有机高分子的混合溶液转移到反应釜中在60～100℃水浴搅拌并回流2～24h，然后自然冷却到室温陈化4～24h；

c.透明溶胶凝胶化直至得到无色透明凝胶，凝胶化时间4～10h和温度80～100℃；

d.按共沸试剂与凝胶体积比3～10∶1加入共沸试剂到干凝胶中，继续凝胶化至形成无色透明凝胶，共沸时间1～6h；

e.透明凝胶转移到烘箱中在70～150℃温度下干燥2～24h，得到白色皂状干凝胶；

f.将得到的干凝胶转移到坩埚中在450～900℃马弗炉中退火3～16h得到掺杂氧化锌纳米粉体；