[发明专利]一种氧化锌/氢氧化锌气凝胶及其制备方法

说明书

一种氧化锌/氢氧化锌气凝胶及其制备方法，属于气凝胶制备技术领域。本发明采用水热法以可溶性锌盐、碱性缓释剂为原材料，在阴离子表面活性剂和氢氧根离子的影响下合成形貌均一的氧化锌/氢氧化锌纳米片，继而采用冰模板法利用水分子与片层之间的作用力制备出疏松多孔的氧化锌/氢氧化锌气凝胶。其目的是探究一种简单可行、有利于大范围推广应用的氧化锌/氢氧化锌气凝胶制备方法。本发明所提出的氧化锌/氢氧化锌气凝胶制备方法具有反应易行、操作简单、生产资料与时间成本低廉、产率高的特点，制得的氧化锌/氢氧化锌气凝胶结构均一、密度很小，具有较高的比表面积和孔隙率。

技术领域

本发明属于气凝胶制备技术领域，具体涉及一种通过冰模板诱导纳米片自组装制备氧化锌/氢氧化锌气凝胶的方法，制备的氧化锌/氢氧化锌气凝胶可广泛应用于电池、传感、催化等领域。

背景技术

光催化裂解水制氢气被认为是一种非常有前途的获取清洁能源的方法，从而缓解化石能源日渐短缺带来的能源危机。这种方法，可以将近乎无限的太阳能转化为清洁可存储的化学能源。在该技术中，引入半导体光催化剂可以显著提高太阳能转化效率。因此廉价、高效、稳定的半导体材料被认为是非常有潜力的光催化剂材料。一些半导体材料，如TiO₂、ZnO、Fe₂O₃、WO₃等被广泛的应用在光催化裂解水制备氢气领域。这些材料可以通过水热生长法或电沉积法，简单且经济地制备出环境友好的光催化剂。然而由于导流系数低、扩散长度短、试剂与光催化剂之间的电荷传导性差、光能利用率低和表面析出动力学特性差等因素，限制了这些催化剂的太阳能-氢能转换效率。为避免这些不足，除了改变催化剂材料本身物质组成以外，还可以对现有催化剂结构进行改进，比如对这些材料赋予一些特殊结构，通过结构与材料的协同作用，进一步提高材料的催化性能。这些特殊的结构能够使得催化剂的接触界面增大，减少载流子复合，电荷转移率和光能利用率提高，从而在光催化应用领域表现出良好的性能。

氧化锌作为过渡金属氧化物，具有资源丰富、价格低廉、环境友好且工作电压窗口较宽、电化学性能好等特点，一直以来就是光电材料和电极材料领域的宠儿。此外，氧化锌具有良好的离子交换和分子吸附性能，在分子筛和催化剂材料等领域也显示了广阔的前景，近年来受到了广泛的关注。众所周知，纳米粒子的晶型、尺寸、形貌和维数等因素不同程度地影响着纳米材料的光学、电学和磁学等性能。现有的研究表明氧化锌颗粒的尺寸、形貌、比表面积和孔径分布决定了离子的扩散距离以及固体电极/溶液界面间的最大接触面，对提高电化学性能和及催化性能具有重要意义。因此，控制氧化锌纳米材料的尺寸、组成、晶型结构乃至组装结构，对于深入研究氧化锌纳米材料的结构特性与物化性能之间的关系并最终提高纳米材料的性能具有重要意义。

自从发现石墨烯以来，已经制备了大量的二维材料，如氮化物、硫化物、硒化物、碲化物等。如何大规模生产高质量的层状材料是发展2D材料的一个重要步骤。目前制备介孔氧化锌的一种成本效益较高的方法是层状氢氧化锌在高温下分解。然而，煅烧后层状结构被破坏，光催化性能与纳米氧化锌相似。因此，如何将二维材料和氧化锌的优势进一步发挥出来，制备出类似二维材料的氧化锌材料，是一个非常有意义的研究热点。而且在纳米技术中，为了获取宏观上新颖的结构和功能，需要对微观上具有特殊性质的纳米材料单元进行组装。气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结而构成的一种结构可控的轻质多孔性固态材料。气凝胶中微观网络结构具有丰富的孔洞，提供了大的比表面积，它具有广阔的应用前景，已被用于声阻抗耦合材料、催化剂或催化剂载体、吸附剂、过滤材料、高温隔热材料及高性能可逆电池材料中。因此，控制氧化锌纳米材料的尺寸、组成、晶体结构乃至组装结构，对于深入研究氧化锌纳米材料的结构特性与物化性能之间的关系并最终提高纳米材料的性能具有重要意义。