[发明专利]氧化锌多级纳米结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化锌多级纳米结构的制备方法，属于材料合成和光催化技术领域。

背景技术

ZnO是当前材料领域研究较为广泛的一种材料，其形貌、比表面积、尺寸大小和结晶度等对于氧化锌的各种性质及应用有着非常重要的影响。它在常温下的禁带宽度是3.37 eV，是典型的直接带隙宽禁带半导体材料，同时它的激子结合能达60 meV，在传感器、光催化以及太阳能电池等方面具有特殊的性能和用途。

近年来，学者们对纳米ZnO的研究自零维量子材料开始逐渐向一维、二维及多维形态系统发展。多维结构ZnO材料由于尺寸小、比表面积大、表面的键态与颗粒内部的不同、表面原子配位不全等因素，导致表面的活性位置增多，形成了凹凸不平的原子台阶，加大了反应接触面，进而其催化剂的活性和选择性远远大于传统催化剂。随着材料制备技术的发展，多维结构ZnO材料的研究已成为纳米材料领域的热点。

目前，人们已经采用各种方法来制备具有不同形貌和结构的ZnO纳米材料，主要有化学气相法、溶胶-胶法、水热法等。其中，化学气相法对反应条件要求较高，不易控制，产物纯度较低，有原料残存。溶胶-凝胶法是以无机盐或金属醇盐为前驱体，经水解缩聚过程逐渐凝胶化，然后作一些后处理得到所需的超微粉体。该法原料成本高，沉淀物的洗涤、过滤和干燥需要较高的技术。而水热法是指在密闭体系中，以水为溶剂，在一定温度和水的自生压强下，原始混合物进行反应的一种合成方法。其操作简单，反应条件温和，成本低廉，得到的产品结构也较稳定，是一种比较高效的方法。

因此，本发明采用简单的一步水热合成法，以水和乙二醇（EG）为共溶剂，在非离子型三嵌段高聚物，聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯（EO₁₃₂-PO₅₀-EO₁₃₂，F108）的结构导向作用下，通过技巧性的选择不同类型的碱源，如尿素、三乙醇胺等，制备出具有多级纳米结构的氧化锌材料。本发明首次采用非离子型三嵌段高聚物（F108）作为模板剂，所得ZnO具有明显的多级纳米结构，且具有形貌可控、粒径可调、结晶良好等优点。此外，光催化实验结果表明，所得材料具有优异的光催化性能，具有广阔的工业应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化锌多级纳米结构的制备方法，本方法可以得到形貌均一，粒径可调的ZnO材料，且该材料具有优良的光催化性能。

本发明采用以下技术方案达到上述目的。具体操作步骤如下：

a.      用电子天平称取10 mmol醋酸锌（Zn(COOH)₂·2H₂O）和0.5-2 g非离子型三嵌段高聚物，聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯（EO₁₃₂-PO₅₀-EO₁₃₂，F108），将其加入一定量的去离子水和20-60 ml乙二醇混合溶液中混匀，常温下搅拌1 h；

b.     用电子天平称取1-6 g尿素（urea），或替换成其它碱源（如一定量的氨水（NH₃·H₂O）、三乙醇胺（TEOA）等），加入上述溶液，常温磁力搅拌2 h；

c.      将上述混合溶液倒入100 ml带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在100-180 °C 条件下晶化6-24 h；

d.     反应完成后，将产物从反应釜中取出，经常规的离心、洗涤、烘干、焙烧等步骤，即得本发明制备的多级纳米结构的ZnO材料。

本发明工艺过程中，以醋酸锌为锌源，水和乙二醇为共溶剂，在模板剂F108的结构导向作用下，通过调变碱源的类型，从而有效控制材料的水热生长过程，最终制备得到具有多种形貌且粒径可控的ZnO材料。

与现有技术相比，本发明技术具有以下显著优点：

本发明方法，首次采用F108作为模板剂，工艺简单，条件温和，仅通过改变碱源即可实现氧化锌多种形貌的有效控制，且所得的多形貌ZnO材料结晶良好，光催化性能优异，可用于环境污染的预防与治理。

附图说明

图1为本发明实施例1中所得ZnO多级纳米结构的SEM照片。

图2为本发明实施例1中所得ZnO多级纳米结构XRD谱图。

图3为本发明实施例1、实施例 2和实施例 3所得ZnO纳米材料的光催化性能图。

具体实施方式

所有实施例均按上述技术方案的操作步骤进行操作。