[发明专利]一种纳米氧化锌三重自组装空心球壳的制备方法

说明书

技术领域

本发明属无机纳米材料技术领域，具体涉及纳米氧化锌三重自组装空心球 壳的制备方法。

背景技术

ZnO是一种非常重要的半导体金属氧化物，其禁带宽度约为3.37eV，具有 较高的激子结合能和光增益系数。ZnO结构单元的尺寸、形貌及其组装的结构 在很大程度上决定了其使用性能。纳米结构的制备研究中，纳米结构单元二重 或三重自组装成复杂的有序超结构是极具挑战性的研究领域，其中空心球结构 作为一种特殊的结构，其明显的特征就是具有很大的内部空间，更低的密度和 更高的比表面积，在填充材料、药物传输、合成功能材料模板、光子晶体、催 化和太阳能电池等领域具有广阔的潜在应用价值。

目前制备无机ZnO球壳主要采用热蒸发法[Gao，P.X.；Wang Z.L. J.Am.Chem.Soc.2003，125：11299-11305]和模板法[Jiang Z.Y.；Xie Z.X.；Zhang X.H.；Lin S.C.；Xu T.Adv.Mater.2004，16，904-907]等。这些方法在一定程度上 存在不足，譬如产品的形貌、尺寸均一化程度不能尽如人意、高温反应条件苛 刻或者是制备过程比较烦琐、成本相对较高等。而水热法[Liu B.Zeng H C.J Am Chem Soc，2004，126(51)：16744-16746]由于具有操作简单、投资小，生 成物不需粉碎、纯化，所得产品纯度高、分散性好而且产物粒径可控，容易实 现规模化生产等优点而备受青睐。通常情况下，在水热合成过程中选用表面活 性剂作为辅助剂以控制产品的形貌。然而，大多数表面活性剂用后难于回收对 环境造成污染，且在较高温度下热力学和化学稳定性较差，大大缩小了其应用 范畴，在一定程度上限制了该技术的发展。寻找一种适用温度范围广、易于回 收的水热辅助剂一直是研究者的不断追求。

发明内容

本发明目的在于提出一种以离子液体为晶体生长控制剂，制备纳米氧化锌 三重自组装空心球壳的方法。

离子液体是一类新型绿色化学品，是由阴、阳离子组成，常温附近呈液态 的盐类。离子液体具有许多优异性能，如液体状态温度范围宽，从低于室温或 接近室温到300℃范围内稳定存在；具有良好的物理化学稳定性；几乎没有蒸 汽压，可消除挥发性助剂对环境的污染问题；无可燃性，对大量无机和有机物 都有良好的溶解能力等特点。同时，离子液体的性质可通过调节阴、阳离子进 行优化。离子液体具有的独特物化性质已引起人们的广泛关注，正成为当前研 究与开发的热点之一。然而，到目前为止，把离子液体同水热法结合用于氧化 锌的合成尤其是用于纳米氧化锌结构单元二重或三重自组装形成氧化锌有序 超结构还未见报道。

本发明以咪唑类离子液体为晶体生长控制剂，通过改变离子液体的浓度及 水热反应条件，控制合成纳米氧化锌三重自组装空心球壳，其步骤如下：

1.配制咪唑类离子液体水溶液；

2.将锌粉加入到离子液体水溶液中，在室温下超声分散；

3.将步骤2所得混合物移至水热反应釜内，恒温水热反应后自然冷却至室 温；

4.将步骤3得到的反应混合物离心分离、洗涤，干燥、回收离子液体，得 到三重自组装氧化锌空心球壳。

本发明所述的离子液体是烷基咪唑类离子液体[C_nmim][Br](n＝4，6，8)，反 应釜内混合物中锌粉的重量百分比为2～4％，离子液体的重量百分比浓度为 10～15％，水热反应温度为160～200℃，水热反应时间为5～7小时。

本发明氧化锌空心球壳的尺寸可以通过改变水热反应釜上方预留空间得 以控制。

本发明所用的咪唑类离子液体以N-甲基咪唑和溴代烷为原料，采用微波 辅助法合成，合成路线如下：

具体合成方法参照Varma R S，Namboodiri V V.An expeditions solvent.Free route to ionic liquids using microwaves [J].Chem.Soc.Chem.Commun.，2001，(7)：643-644。