[发明专利]一种ZnO半球状微纳米结构的制备方法及所得产品

说明书

技术领域

本发明涉及一种ZnO微纳米结构的制备方法及所得产品，具体涉及一种ZnO半球状微纳米结构的制备方法及所得产品。

背景技术

ZnO是一种重要的半导体氧化物材料，具有较宽的直接带隙（3.37 eV）和较大的激子束缚能（60 meV），在室温下能够实现紫外光的受激发射，近年来广泛应用于发光二极管、染料敏化太阳能电池、光催化、气敏材料、生物传感器等领域，其发展前景十分巨大。目前，国内外学者通过采用不同的合成方法能够得到形貌各异的ZnO微纳米结构，并着力研究ZnO及其复合材料的生长习性与机理、探讨结构与性能之间的影响机制，已成为半导体领域的研究热点之一。

通过选择合适的反应体系与反应进程，能够获得不同尺寸的ZnO微纳米结构，包括多孔颗粒、微纳米管或线、花状、束状、针状、多级结构等特殊形态。目前，关于ZnO半球状结构的报道不是很多，例如，Y.S. Lee等人选择合适的表面活性添加剂分子，通过水热法在硅衬底上合成了ZnO半球状结构，发现柠檬酸三钠的浓度对ZnO形貌的控制起到重要作用（Y.S. Lee, S.N. Lee, and I.K. Park, Ceram. Internat., 2013, 39, 3043-3048）。C.J. Chang等人通过两步法在ITO玻璃衬底上获得了ZnO半球状阵列薄膜，发现其在染料敏化太阳能领域具有较好的应用价值（C.J. Chang, and E.H. Kuo, Colloids Surf. A, 2010, 363, 22-29）。

ZnO微纳米结构的调控与性能研究受到了普遍关注，已开展了许多相关工作。受制备工艺所限，重复性差、结晶度低、形貌均一性差、尺寸调控效果不佳等成为高效ZnO微纳米结构面临的主要问题。因此，研究一种操作简单、重复性好、微观形貌特殊、尺寸可控的ZnO半球状结构合成方法，具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种ZnO半球状结构的制备方法，该方法制备过程简单、原料价格低廉、可以通过各条件的控制得到不同尺寸的半球状结构，产率高、形貌好，具有很好的市场应用前景。

本发明具体技术方案如下：

一种ZnO微纳米结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）将二价锌盐加入到乙二醇与水的混合液中，搅拌得透明溶液；

（2）向步骤（2）的透明溶液中加入乙醇胺，得前驱体溶液；

（3）将前驱体溶液升温，采用溶剂热法制备ZnO微纳米结构；

（4）反应后离心分离、洗涤，得ZnO微纳米结构；

其中，乙二醇、水与乙醇胺的体积比为1：0.025-0.041：0.086-0.154。

上述制备方法中，所得的ZnO微纳米结构为实心的半球状形貌，直径为0.14-10 μm。因为所得产品的尺寸既可以为纳米级又可以为微米级，因此将产品定义为微纳米结构。

本发明中，所得的实心半球状ZnO微纳米结构在微观上具有更为奇特的形貌，具体的为：所述实心的半球状形貌由排列紧密的ZnO颗粒及ZnO棒组装而得，其中半球状的中心部分由ZnO颗粒组装而得，外层部分由ZnO棒组装而得。ZnO颗粒组装而得的中心部分为半球状，相当于ZnO颗粒组装而成的半球状结构外部加上了一层ZnO棒组装而得的外壳，实心球的表面粗糙。

进一步的，ZnO颗粒组装而成的中心部分的直径为0.08-4 μm，ZnO颗粒的尺寸为0.01-0.3 μm。

进一步的，外层部分由直径为0.01-0.3 μm，长度为0.03-3 μm的ZnO棒沿球的直径方向紧密排列组装而成。

本发明中，通过对锌源的选择，锌源浓度的控制，混合溶剂、乙醇胺的选择以及用量的搭配，溶剂热条件的控制等得到了具有上述特殊形貌的氧化锌产品。尤其是锌源的浓度，混合溶剂、乙醇胺的选择以及用量的搭配对形貌的形成有至关重要的作用。

进一步的，步骤（1）中，二价锌盐在混合溶剂中的浓度为0.05-0.08 mol/L。在此浓度范围中，所得产品均为特殊的实心半球状形貌，且可以通过浓度的变化得到不同尺寸的产品。

进一步的，步骤（1）中，所述二价锌盐为醋酸锌或硝酸锌。采用此二元锌盐时，所得产品均为特殊的实心半球状形貌。

进一步的，步骤（3）中，溶剂热法的温度为130-170℃。在此温度范围中，所得产品均为特殊的实心半球状形貌，且可以通过温度的变化得到不同尺寸的产品。

进一步的，步骤（3）中，反应时间为0.5-28 h，或者4-28h，或者8-28h。通过时间的控制，可以得到不同尺寸的产品。