[发明专利]紫外可见光响应掺镨纳米氧化锌及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及作为催化剂、光学材料掺镨纳米氧化锌的制备方法，具体涉及紫外可见光响应掺镨纳米氧化锌及其制备方法。

背景技术

氧化锌的带隙大约在3.2～3.4eV之间，是一种典型的n型透明半导体材料。其特有的光学和电学性能，决定了它在压电装置、气敏元件、催化领域存在巨大的应用潜力(Zhang.J.M等，Mater.Lett.2008.62.3224–3227;Lieber.C.M等，MRS.Bull.2007.32.99-104;Wang.Z.L等，Science.2006.312.242-246)。近年来，世界各国的科学家们发现可通过掺杂铜、钙、铒、镨、氮、钒等离子来改变其物理性质如带隙宽度、光吸收性能等（Wei.H等，Mater.Lett.2005.59.271-275;Santi.M等，Opt.Mater.2007.29.1700-1705）。电学方面，半导体氧化锌中的双肖托基势垒能引起非线性的电压—电流响应,并且以掺镨氧化锌为基材的压敏电阻被广泛的应用于电路回路保护（Inoue.Y等，J.Alloys.Compd.2006.408.1234–1237;Mukae.K等，Adv.Ceram.1981.1.331-335;Sato.Y等，J.Appl.Phys.2004.95.1258–1264）。然而在光学、催化等领域由于其只能吸收波长小于400nm的光而使其应用受到很大限制。

纳米材料由于小尺寸会导致量子限域效应，界面结构的无序性使表面激子很容易形成。界面体积的增加，导致晶界中悬键、不饱和键和杂质等缺陷，这就可能在带隙中产生许多附加能隙，导致光吸收性能发生变化（Banin.V等，Nature.1999.400.542-524）。因此，纳米掺镨氧化锌很有可能解决上述问题，但目前关于纳米掺镨氧化锌的报道却很少。合成纳米氧化锌的方法很多，如燃烧法、固相法、沉淀法和溶胶--凝胶法。其中燃烧法具有工艺简单、能耗低、用时短和产品纯度高等优点。

鉴于以上分析，本发明用燃烧法合成了掺镨单晶纳米氧化锌。其光吸收性能得到很大改善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供紫外可见光响应掺镨纳米氧化锌及其制备方法。本发明通过如下技术方案实现。

紫外可见光响应的掺镨单晶纳米氧化锌的制备方法，该方法是将乙酸铵、水以及硝酸锌、硝酸镨的水合物混合，对混合溶液加热，当混合物呈熔融状态时进行搅拌直至燃烧，燃烧至没有气体放出即得所述掺镨单晶纳米氧化锌。

上述的制备方法中，所述混合液中各组分质量百分数如下：硝酸镨0.25%～0.74%、硝酸锌33.31%～50.56%、乙酸铵3.79%～6.35%、水42.35%～62.45%。

本发明还提供了由所述制备方法制得的掺镨单晶纳米氧化锌，掺镨单晶纳米氧化锌结构为六方结构，颗粒大小为20～60nm。掺镨单晶纳米氧化锌能吸收200～800nm的紫外可见光。

本发明选用适当剂量的燃烧剂，通过燃烧法一步合成紫外可见光响应的单晶掺镨纳米氧化锌，通过调节燃烧剂的用量可在一定范围内调节其粒径的大小，其合成工艺简单，合成成本小。本发明选用乙酸铵做燃烧剂，制备紫外可见光响应的掺镨单晶纳米氧化锌。其TEM显示清晰的单晶纳米颗粒，XRD图谱显示其产物为六方氧化锌晶体结构。荧光图谱、固体紫外吸收图均表现出明显的纳米效应。同时，从固体紫外吸收图谱明显看到所制备的掺镨氧化锌在200～800nm波长范围内有良好的吸收，而一般的微米氧化锌或者纳米氧化锌在波长大于400nm范围内几乎没有吸收。该单晶掺镨纳米氧化锌在半导体、催化、光学等领域有很大的应用潜力。总的来说，本发明具有如下优点和和效果：

（1）一步燃烧反应，合成工艺简单，硝酸锌、乙酸铵等均为价格低廉、来源丰富的药品，有利于大规模工业化生产；

（2）该纳米氧化锌对200～800nm波长光均有较强吸收，大大改善了普通氧化锌的光吸收性能。

附图说明

图1是具体实施方式中制备的掺镨纳米氧化锌的透射电子显微镜图，其颗粒大小约为20～60nm；

图2是具体实施方式中制备的掺镨纳米氧化锌的纳米氧化锌的电子衍射花样，由此知其为单晶结构；

图3是具体实施方式中制备的掺镨纳米氧化锌(100)晶面的高分辨透射电子显微镜照片；

图4是具体实施方式中制备的掺镨纳米氧化锌的X射线能谱；

图5是具体实施方式中制备的掺镨纳米氧化锌的X射线衍射图，对应JCPDS36-1451，为六方结构；