[发明专利]一种微波固相反应合成纳米氧化锌粉体的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米粉体材料制备技术领域，具体涉及一种微波固相反应合成纳米氧化锌粉体的方法。

背景技术

纳米材料是指颗粒尺寸在1～100nm之间的超细微粒材料，与大颗粒材料相比，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特殊性质，因此在光学、电学、磁学及催化等方面显示出优异的性能。纳米氧化锌由于其无毒、价格低廉及其优异的性能而被广泛应用于各领域，其制备方法一直是人们研究的热点。

目前，制备纳米氧化锌粉体的方法主要可分为物理法和化学法。物理法主要采用机械球磨法，该法能耗较大，易引入杂质，且所得粉体颗粒尺寸较大、粒径分布不均匀，不适于用作具有特殊性能的超精细材料。化学法中最常用的为液相法，如沉淀法、溶胶-凝胶法、水解法、微乳液法等。这些方法基本上都是控制反应条件，首先在液相中合成前驱体(即易分解的盐)，再将这些盐进行热分解制备纳米粉体。由于液相法所制备的前驱体盐类，需要经过分离、过滤、洗涤及干燥等过程，所以这些盐中通常含有一些水，而这些水在盐煅烧过程中由于毛细作用而易使所得纳米粉体产生硬团聚。因而，人们常常选用有机溶剂洗涤或采用特殊的干燥技术(如超临界干燥、共沸蒸馏干燥及冷冻干燥等)除去水，这不但需要消耗大量有机溶剂，而且还使工艺复杂化，从而增加产品成本。此外，化学法中还包括固相反应法，固相反应法是近年来发展起来的一种制备纳米粉体的新方法。该法反应在固相中进行，不需要溶剂，在一定程度上解决了环境污染问题。但是，大部分固相反应存在反应所需时间较长，反应不均匀等问题。

综观上述这些制备纳米氧化锌粉体的方法，均存在一些不足之处：反应工艺复杂、工艺过程难控制、能耗大、成本高、所得纳米粒子粒径分布不均匀等。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有制备纳米氧化锌粉体技术中存在的缺陷，利用微波加热技术在制备特种新材料方面的优势，提供一种工艺过程简单、易控制、能耗低、对环境无污染或污染较少的制备氧化锌纳米粉体的方法，所得产物尺寸较小且粒径分布较均匀。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种微波固相反应合成纳米氧化锌粉体的方法：以草酸和碱式碳酸锌(5ZnO·2CO₂·4H₂O)为原料，根据微波炉的功率和容量，按草酸根离子和锌离子摩尔比1∶1的比例称取一定量原料，将称量好的原料混合研磨后放入微波炉中，加热至500～700℃后，恒温10～30min，即可获得晶粒尺寸为10～40nm的氧化锌粉体。

发明原理：本发明主要是利用固相反应及微波加热技术原理。利用固相反应合成纳米材料可以克服传统液相法制备纳米材料中存在的离子团聚的现象；反应过程中不需要溶剂，不仅降低生产成本，而且反应过程中不易引入杂质，所得产物的纯度较高。微波加热的特点是可以大大提高加热速度，易于自动控制。另外，微波加热还具有无污染、无余热、占地面积小等特点。将微波加热技术应用于固相反应中，利用微波加热快速的优点，可以大大缩短固相反应时间，能有效的控制产物颗粒的生长，从而易获得小尺寸颗粒。此外，利用微波加热的均匀性，可使整个固相反应均匀，不仅能有效地控制颗粒尺寸分布，还可以减少产物的团聚现象。

草酸和碱式碳酸锌(5ZnO·2CO₂·4H₂O)的固相反应较慢，所以在混合研磨过程中只有少部分发生反应。将研磨后的混合物置于微波炉中，在微波加热的条件下，草酸和碱式碳酸锌很快发生固相反应生成草酸锌，其反应如下：

5(H₂C₂O₄·2H₂O)+(5ZnO·2CO₂·4H₂O)→5(ZnC₂O₄·2H₂O)+9H₂O↑+2CO₂↑

随着微波加热的进行，草酸锌在500～700℃时分解生成氧化锌，其反应式为：

ZnC₂O₄·2H₂O→ZnO+2H₂O↑+CO₂↑+CO↑

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明采用微波辅助固相反应法合成纳米氧化锌粉体，整个反应过程不需要溶剂，不需要表面活性剂，反应在固相中进行，有效避免了液相反应中由于水存在而引起的纳米粉体团聚现象。