[发明专利]单分散ZnO微纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及ZnO纳米材料技术领域，具体涉及一种制备单分散的ZnO微纳米材料的简易方法。

背景技术

ZnO是一种重要多功能的半导体材料，由于具有独特的光、电性能而被广泛地用在光催化、压电效应、光电子学、光电转换与气敏等领域。ZnO纳米材料的性能与其形貌、尺寸和结晶性密切相关，因此，通过调节纳米结构的形貌、微观尺寸等，可实现对材料性能的调控，对进一步开拓材料的应用领域具有重要的意义。其中，片、碗、环状纳米结构因其特殊的几何形状而具有独特的物理化学特性，在光、电、磁、催化、存储和微波吸收等领域具有潜在应用价值。目前人们采用热沉积法、水热法、激光沉积、电化学沉积法、湿化学法等方法合成了不同形貌的ZnO纳米材料(螺旋、线、棒、管、片、花、碗、环)。如专利(CN 105002555A)公开了一种脉冲激光沉积辅助范德瓦尔斯外延法制备ZnO单晶纳米片；专利(CN102951672A)公开了一种用甲醇、乙醇或正丁醇于与水为溶剂水热法制备ZnO纳米棒；专利(CN 102121130A)公开了一种电化学沉积-液相化学生长两步法制备ZnO纳米片/纳米线复合材料；专利(CN 103073194B)公开了一种水热法制备ZnO纳米柱和ZnO纳米片层复合结构材料。而纳米碗和纳米环、特别是纳米印章尚鲜见报道，仅仅文献【Applied Physics Letters,2005,86,043106】、【Materialstoday,2004:24-33】和【Journal of Alloys and Compounds,2009,486,L13-L16】公开了一种热沉积法制备ZnO纳米环和纳米碗。其中，热沉积法、水热法、激光沉积、电化学沉积法等方法由于需要高温、高压、特殊的基体或特殊的设备，且产量低，能耗大、成本高，而限制了其广泛使用。湿化学或溶液的方法因其反应温度低、设备简单、成本低、可规模化生产等优点，而倍受科研工作者的青睐。因此，急需开发相对工艺简单、成本低、通用、绿色、环保、易于工业化的制备纳米碗和纳米环、纳米印章的新方法。

在本发明中，我们采用一种低温、一步混合溶剂液相沉淀和刻蚀工艺，通过改变加热方式、温度、冷却时间、混合溶剂的比例和浓度来调控ZnO微纳米材料的形貌和尺寸。本发明中的ZnO微纳米材料具有单分散性和均一性好，形貌和尺寸可调等特性，这些材料在光催化、压电效应、光电子学、光电转换与气敏等领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明旨在提供一种单分散性和均一性好，具有较强的光催化性能，以及尺寸和形貌可调等特性的ZnO微纳米材料(片、碗、环、印章)；还提供工艺简单、条件温和、环保、节能的制备单分散片、碗、环和印章的化学液相法；所提供的单分散ZnO微纳米材料具有广阔的应用前景。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的单分散ZnO微纳米材料为单晶结构，形貌为六边形片、碗、印章或环，其中片、碗和印章的直径为0.73～1.55μm，厚为0.37～1.09μm；环的内径48～531nm，外径111～648nm，高53～610nm，组分为六角纤锌矿结构。

所述的单分散ZnO微纳米材料，其采用混合溶剂液相沉淀和刻蚀法制成，即：以醋酸锌为锌源、二甲基亚砜为碱和刻蚀剂、水和二甲基亚砜做混合溶剂，通过液相沉淀得到ZnO片，随后利用二甲基亚砜在ZnO六边形片即0001面的优先吸附和刻蚀反应来制备ZnO六边形碗、环或印章。

本发明提供的上述的单分散ZnO微纳米材料，其在光催化、压电效应、光电子学、光电转换或气敏领域中的应用。

本发明提供的单分散ZnO微纳米材料的制备方法有下述三种：

(1)采用烘箱加热的液相沉淀和刻蚀方法，具体是：按化学计量比先将锌盐、表面活性剂、水三种原料添加到烧杯中搅拌15～30分钟；再将二甲基亚砜加入到混合液中搅拌30分钟；然后将烧杯密封并放到烘箱中在60～90℃反应1～3小时，在室温下冷却0～5小时，最后用水和乙醇离心洗涤，经干燥得到所述单分散ZnO微纳米材料(六边形片、碗、印章或环)。

(2)采用油浴加热的液相沉淀和刻蚀方法，具体是：先将锌盐、表面活性剂、水按一定的化学计量比添加到烧杯中搅拌15～30分钟；再将二甲基亚砜加入到混合液中搅拌30分钟；然后将烧杯密封并放到油浴锅中在60～70℃反应1～1.5小时，在室温下冷却3～5小时，最后用水和乙醇离心洗涤，经干燥得到所述单分散ZnO纳米环。