[发明专利]一种管状多级结构氧化锌及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种管状多级结构氧化锌及其制备方法，属于微/纳多级结构材料的制备领域。

背景技术

ZnO是一种应用范围广泛的宽禁带N型半导体材料，禁带宽度为3.3eV，激子束缚能为60meV，是一种兼有半导、压电、热电、光电等多种性能的材料，可用于气敏传感器、光催化、太阳能电池、生物发光等领域。研究表明材料性能与其结构和形貌有关，因此制备具有新型结构和形貌的氧化锌引起了人们极大的关注。

以低维度的纳米材料如纳米颗粒、纳米棒、纳米片等作为结构基元自组装得到的多级结构材料既保持了纳米材料原有的性能又具有特殊的结构，在催化、太阳能电池、锂离子电池等应用中具有很好的效果。其中，管状多级结构材料由于其具有较好的渗透性、大的比表面积、和低密度从而受到广泛的关注。目前通过水热法和模板法制备的由纳米片自组装而成的管状多级结构SnO₂、Fe₂O₃、MoS、及TiO₂具有优异的光电转换、能量储存和催化性能。然而，由纳米片自组装而成的管状ZnO尚未见报道。此外，这些已报道的管状多级结构材料主要由一种结构基元组成(如纳米片)，从而不能提供更多的活性表面。因此，制备由多种结构基元构筑的多级结构氧化锌是非常必要的。

制备多级结构氧化锌材料的主要方法包括水热法和热解法。在文献Bin Lin and Hua Chun Zeng,Fabrication of ZnO“dandelions”via a modified kirkendall process.J.Am.Chem.Soc.,2004,126(51),pp 16744–16746中，Bin Lin等人用水热法制备了由单晶纳米棒为结构基元自组装的蒲公英状氧化锌。文献Yan-Zhen Zheng,Xia Tao,Qian Hou,Dong-Ting Wang,Wei-Lie Zhou,and Jian-Feng Chen,Iodine-Doped ZnO Nanocrystalline Aggregates for Improved Dye-Sensitized Solar Cells.Chem.Mater.,2011,23(1),pp 3–5中，Xia Tao等人用聚乙二醇作为溶剂以热解法制备了由纳米颗粒组成的球形氧化锌团聚体。但是这些方法由于其过程不易控制因此很难制备管状多级结构的氧化锌。因此，寻找一种简单、温和、高效的方法制备管状多级结构氧化锌是十分重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于纳米颗粒的管状多级结构氧化锌及其制备方法。本发明先通过沉淀反应得到棒状结构，再通过溶解再生长使纳米棒逐渐转变成由纳米片组成的管状多级结构前驱体，最后通过高温焙烧使前驱体分解得到由纳米颗粒自组装得到的管状多级结构氧化锌。

本发明所述的纳米颗粒自组装管状多级结构氧化锌为纯相的六方纤锌矿结构，外观为分布均匀的空心纳米棒，纳米棒的外径为0.4～0.7um、内径为70-122nm，比表面积为40～100m²·g^-1；该纳米棒的结构特点是：由粒径为4～16nm的氧化锌纳米颗粒形成的纳米片相互交错组装成管状多级结构。

上述纳米颗粒自组装管状多级结构氧化锌的具体制备方法如下：

A、将可溶性弱碱溶解于除CO₂的去离子水中，配制成浓度为0.01～4mol/L的弱碱溶液，标记为溶液B；所述的可溶性弱碱为碳酸氢铵和碳酸铵中的一种，较佳的浓度为0.5～2.5mol/L；

B、将可溶性的有机锌盐溶于除CO₂的去离子水中，配制成浓度为0.01～4mol/L的溶液，记作溶液A；所述可溶性的锌盐是醋酸锌、草酸锌和乙酰丙酮锌中的一种，较佳的浓度为0.5～2.5mol/L。

C、将溶液B在剧烈的机械搅拌下逐滴加入到溶液A中，搅拌均匀，并继续反应1～28小时；A溶液的加入量按照体系中碱/锌的摩尔比为0.5～16的比例确定，较佳摩尔比为1～4；过滤、将得到的白色沉淀用去离子水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤2次，在40～100℃下干燥12小时得到前驱体；