[发明专利]一种氧化锌纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料的制备方法，具体地说是一种氧化锌纳米材料的制备方法。

背景技术

氧化锌是一种重要的直接带隙宽禁带半导体材料，室温下的带隙宽度为3. 37 eV，激子结合能高达60 m eV，具有从蓝光到紫外波段的发光性能。这使得氧化锌在光电器件方面有巨大的潜在应用价值。另外，氧化锌还可被应用于短波激光器、二次电池电极、化学传感器、太阳能电池以及作为橡胶制品添加剂等方面。近年来，纳米氧化锌，包括纳米线、纳米棒、四脚纳米结构等，受到特别的关注。

传统的纳米四脚氧化锌的制备方法有：物理或化学气相沉积法、热蒸发法、碳热还原法、燃烧法等。传统的制备方法主要存在五个方面的缺点：一是制备效率普遍较低；二是工艺复杂，在制备过程中需要严格地控制温度和气氛等参数；三是需要添加催化剂或其它辅助材料（石墨等）；四是有些方法需要特殊的沉积集体，如硅片等；五是产量低且难于转化为规模化制备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种工艺简单高效、转化率高，可规模化生产的氧化锌纳米材料的制备方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种氧化锌纳米材料的制备方法，其包括以下几个步骤：a. 将锌粉均匀铺展于一可用于感应加热的石墨纸加热体表面；b. 将平面结构的感应加热设备置于石墨纸加热体上方或下方一定的距离，该距离小于30 mm；c. 设定感应加热设备的功率在10~50 kW 之间；d. 启动感应加热设备开始加热；e. 石墨纸加热体上出现大量的白色或微黄色棉絮状产物即为氧化锌纳米材料。

本发明使用感应加热作为加热方式、使用单一锌粉作为原材料。通过感应加热实现对锌粉的快速加热。本发明在空气环境下进行，锌粉受热蒸发，加热至400℃时与空气中的氧开始发生反应，继续加热就会得到纯净氧化锌纳米材料。制备过程中需要重点控制的参数是应用功率和加热时间。控制应用功率实质上是控制锌粉的加热速度。而加热时间则根据锌粉量来确定，锌粉的量越大，需要加热的时间就会越长。当锌粉未完全转化为氧化锌，还可继续加热，直到锌粉100%转化为氧化锌为止。全部制备过程均在大气环境中进行，无需特殊环境，无需催化剂，在制备工程也不需要使用保护气。通过调节感应加热设备的功率，可以得到不同结构、不同形貌的氧化锌纳米材料。制备的氧化锌纳米材料包括多面体纳米微球、四脚空间结构纳米晶须和超薄纳米片。纳米微球直径约为150 nm，纳米线直径约为50 nm,纳米片厚度约为10~20 nm。

本发明利用感应加热作为加热方式，直接以锌粉为原料，在空气环境下迅速加热，即可制备得到氧化锌纳米材料。可广泛应用于短波激光器、二次电池电极、化学传感器、太阳能电池以及橡胶制品添加剂等。本发明制备方法的特点是：（1）制备速度快。从加热到制备完成只需几秒到数十秒（如果锌粉量较大需要的时间略有增加）；（2）转化率高。使用的锌粉可以100%制备成氧化锌纳米材料；（3）工艺简单。在大气条件下制备，不需要抽真空，不需要使用特定的气氛，也不需要模板、催化剂和载流气等辅助的条件；（4）设备简单。只需感应加热设备和简单的可用于感应加热的石墨纸等简单廉价的加热体；（5）无需复杂的分离程序，制备完成就可直接收集，也可在制备过程中就可以同时收集，可以实现连续和规模化制备。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1:一种氧化锌多面体纳米微球的制备方法，其包括以下几个步骤：a. 将2 g小于200目的锌粉均匀地平铺于10×15 cm的石墨纸表面；b. 将铺有锌粉的石墨纸放置在平面感应线圈的上方（或下方）30 mm处，石墨纸与线圈平面保持平行；c. 使用的感应器频率为60 kHz,将感应器功率调整为10 kW；d. 开启感应器开始加热。加热约10 s后石墨纸上部空间开始出现棉絮状产物，继续加热约15 s，锌粉全部转化为棉絮状产物，停止加热。此棉絮状产物就是由大量多面体纳米微球构成的。纳米微球的直径约为150 nm。