[发明专利]一种简便制备碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机介孔材料制备技术领域，特别是一种简便制备碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体的方法。

背景技术

纳米氧化锌（ZnO）作为一种多功能半导体，具有良好的导电和导热性、化学稳定性、非迁移性、荧光性、吸收和散射紫外线能力等。它在压电材料、光学器件、气体传感器、涂料、环境治理等方面都有重要的应用价值，加之原材料丰富，价格便宜，对环境无毒无害，更是展现出非常广阔应用前景，在美国的《物理化学》杂志（2011年，115卷13597页）和《材料快报》杂志（2012年，68卷90页）有过报道。介孔材料因具有特殊的孔径、较大的孔容、丰富的离子交换位点等微观结构，再加上其比表面积大、吸附能力强使其在多相催化、能源、生物技术、纳米器件、水处理等领域被广泛应用，在美国的《危险材料》杂志（2010年，181卷204页）有过报道。目前，已有文献报道制备各种介孔材料的方法有：模板法、溶胶-凝胶法、沉积法、热膨胀气体扩散法、结构导向法等，其中无机材料也以介孔SiO₂、TiO₂和介孔炭材料居多，专利200610011885.0、200410065441.6、200910050884.0等公开了这些合成方法。介孔ZnO因Zn离子易水解，很难形成像Si—O和Ti—O一样三维网状结构，所以很难通过传统的蒸发传导自组装过程获得。《美国化学会志》（2003年，125卷11299页）报道了利用真空热蒸发沉积法制备ZnO颗粒组装而成的笼状多面体，因颗粒之间存在纳米尺寸的间隙而表现介孔结构的特征。但该方法反应温度达到1150°C，且是真空条件，对仪器设备要求条件高、控制条件苛刻、生产成本高，难以实现工业化。

发明内容

本发明的目的是针对现有的制备介孔ZnO所存在的对仪器设备要求条件高、控制条件苛刻、生产成本高的不足之处，提供一种对仪器设备要求不高、操作简单易控制、生产成本低、产品均匀性高、可批量生产、重复性好的一种简便制备碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种简便制备碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体的方法，以乙二醇（EG）为反应溶剂，以过渡金属的无机盐醋酸锌（Zn(Ac)₂·2H₂O）以及过量的碱源（NaOH）为反应前驱物，加入结构导向剂葡萄糖，通过诱导聚合以及孪晶极性场驱动实现了碳（C）掺杂的ZnO纳米颗粒自组装，从而获得高质量、高产量的汉堡型碳掺杂介孔ZnO组装体。

在所述的一种简便制备碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体的方法中，制备碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体的方法包括以下步骤：

⑴Zn(OH)₄^2-溶胶前驱体的制备

取原料醋酸锌（Zn(Ac)₂·2H₂O）和乙二醇（EG），配成Zn²⁺摩尔浓度为0.1～0.4M的无色透明溶液A，室温下进行磁力搅拌；取氢氧化钠（NaOH）和EG，配成以NaOH摩尔浓度为0.4～0.8M的溶液B，将溶液B逐滴加入溶液A中，经反应，溶液逐渐变浑再变清，待溶液B滴加结束，称取0.02～0.08M葡萄糖溶于其中，继续搅拌10～20分钟，溶液变为接近透明的乳白色，所得的混合液即为Zn(OH)₄^2-溶胶前驱体；

⑵碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体的制备

将混合液转移至反应釜中，经160～180°C，12～24个小时后，离心洗涤、烘干，即得到碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体。

采用本发明制备的汉堡结构碳掺杂介孔ZnO，其组装体直径范围在400～500nm，ZnO纳米颗粒粒径大小约为5.8nm，介孔半径平均为7.6nm，本发明制备的汉堡型碳掺杂介孔ZnO具有产品成本低、易控制、均匀性高、产量大、重复性好以及适合大规模生产等优点。

附图说明

图1是荷兰飞利浦公司PW3040/60型X-射线衍射仪所测的实施例1中制备的碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体的X-射线衍射图，其中：横坐标X是衍射角度（2θ），纵坐标Y是相对衍射强度。插图为其小角X-射线衍射图。

图2是日本日立公司S-4800型场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观测实施例1中制备的碳掺杂介孔ZnO汉堡结构纳米组装体的形貌图，插图为其局部放大图。