[发明专利]一种金属氧化物半导体纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料领域，具体涉及一种氧化铜和氧化锌半导体纳米材料的制备方法。

背景技术

纳米尺度金属氧化物半导体的理化性质与块材有着很大区别，因而针对金属氧化物半导体纳米材料的研究得到了极大关注。

氧化铜（CuO）和氧化锌（ZnO）是两种重要的半导体材料，它们在催化剂、气相和生物传感器、纳米结构变阻器、紫外吸收剂、色素增感太阳能电池、发光二极管、氢存储等领域有着广泛的应用。研究和应用中发现，进入纳米尺度后，颗粒尺寸和形貌对半导体化合物的理化性能及其应用方向有着非常大的影响，因此在过去十几年中出现了很多用以控制CuO或ZnO纳米材料尺寸和形貌的合成工艺，如固相反应法、水热法、溶胶凝胶法、化学沉淀法、化学气相沉积法，等等。但是，这些合成方法大多仍然存在着明显不足，如产品纯度不足、工艺复杂等。因此，寻求简单高效且形貌可控的CuO和ZnO纳米材料合成方法仍是现阶段的一个研究热点。

本发明公开了一种新的、简单的金属氧化物半导体纳米材料的制备方法。该方法可以得到高纯度的氧化铜和氧化锌纳米材料，产物具有独特的纳米形貌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的金属氧化物半导体纳米材料的制备方法。通过脉冲直流电源对置于水中的两根金属电极供电以在两电极之间产生等离子体放电，在放电产生的高能量等离子体对金属电极表面进行持续溅射攻击下，从电极表面形成的金属原子或金属原子团簇进入水中等离子放电区域，经过原位氧化及后期的附着生长，形成了形貌独特的金属氧化物半导体纳米材料。该方法在常温常压的开放体系中运作，不需要任何化学添加剂、气流和模板，实验设备要求简单，可操作性强，且产物纯度高，可实现批量化可控生产。同时，该方法制得的金属氧化物纳米材料不同于传统方法制备的表面形貌光滑的产物，有望在光、电及催化剂等方面得到广泛应用。

一种金属氧化物半导体纳米材料的制备方法，以金属电极为原材料，通过在水中电极之间等离子体诱导形成金属氧化物纳米材料。包括以下步骤：取目标金属作为两个相对的电极，连接脉冲直流电源形成放电回路，并将两电极以相对且保持一定间距的位置浸没在水中；在保持搅拌的情况下，连通电路以使两电极之间产生高能量等离子体；依据产量要求控制反应时间，待放电结束后，溶液经过滤或离心分离、干燥即得到对应的金属氧化物半导体纳米材料。

更具体地，本发明所述金属氧化物半导体纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

1）金属电极对的准备

选取两根直径相同的金属棒，然后在两根金属棒外套上内径与金属棒直径相同的氧化铝绝缘管，接着将其固定在内径与氧化铝绝缘管外径相同的特氟龙管中，即得到金属反应电极；

然后，将金属反应电极以水平相对的位置通过容器壁上的孔安装到绝缘容器上，两电极之间间距在0.1-1mm，电极之间夹角为180°，连接脉冲直流电源以形成放电回路；任选地，如图1所示，可在绝缘容器外配设一冷却系统以调节体系温度，例如通常可将绝缘容器置于一室温水浴中；

2）金属氧化物半导体纳米材料的制备

在步骤1的绝缘容器中加入水，确保金属电极对被水浸没且水面到电极的距离大于10mm；在体系保持搅拌的情况下，连通电路，通过电源控制仪表盘选定脉冲频率和脉冲宽度，调节电压直到电极之间等离子体产生（即出现肉眼可见的明显亮光）；固定上述电压、脉冲频率和脉冲宽度，在等离子放电过程中调整电极对之间间距以使其保持不变，确保等离子体持续产生；持续放电5分钟以上，放电结束后将所得到的溶液继续搅拌10分钟以上，然后经过滤或离心分离、干燥即得到具有独特形貌的金属氧化物半导体纳米材料。

本发明所用制备装置具体可参阅附图1。

本发明的制备方法中，所述金属优选铜或锌。对应地，所述金属氧化物为氧化铜或氧化锌。

可使用金属线代替金属棒；金属棒或线的直径优选0.5-5mm，更优选1-2mm。

所述绝缘容器可以是公知的电绝缘材质的容器，如玻璃容器。

两电极之间间距优选0.1-0.5mm，更优选0.2-0.4mm。

脉冲直流电源的脉冲频率为5-50kHz，优选10-30kHz；脉冲宽度为0.5-5μs，优选1-3μs。

最终金属氧化物纳米材料的产量可以通过放电时间（即反应时间）来自由控制。