[发明专利]具有花状微纳结构氧化锌粉体及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种具有花状微纳结构氧化锌粉体及其制备方法和应用，将锌盐溶液和强碱溶液混合超声分散，通过控制超声条件、浓度及沉淀速率得到不同形貌的氧化锌，并且相同反应条件下制备的ZnO粉体样品大小、形貌均一，性能稳定且具有优异的可重复性。本发明提供的ZnO特殊微纳结构具有大的比表面积、宽阔的孔结构和优异电子传输性能，适合用作光催化、脱硫以及太阳能电池中的功能材料，同时适合用作橡胶以及化妆品中的添加剂(或填料)。将本发明中制得的花状结构用作染料敏化太阳能电池(DSCs)光阳极，电子扩散系数呈现数量级提升，DSCs器件的光电转换效率得以大幅增加。本发明氧化锌粉体的制备方法简单、快捷、成本低。

技术领域

本发明属于新材料与新能源器件领域，具体地涉及一种具有花状微纳结构氧化锌粉体及其制备方法和应用。

背景技术

氧化锌(化学式ZnO)是锌的氧化物，难溶于水，可溶于酸和强碱。ZnO是一种宽带隙N型半导体材料，带隙约3.3eV，激子束缚能约60meV。ZnO具有多种用途，作为添加剂在多种材料和产品有应用，包括塑料、陶瓷、玻璃、水泥、润滑剂、油漆、软膏、粘合剂、填隙材料、颜料、食品、电池、铁氧体材料、阻燃材料和医用急救绷带等。例如，ZnO作为活化剂添加在乳胶中可以促进橡胶的硫化、活化和补强，具有防老化作用，能加强硫化过程，提高橡胶制品耐撕裂性、耐磨性。ZnO用作脱硫剂具有低温活性好、强度高、磨耗低、耐水性好等优点。在光电领域，ZnO的低阻特征使其成为一种重要的电极材料，如用作太阳能电池的电极，液晶元件电极等。高透光率和大的禁带宽度使其可用作太阳能电池的窗口材料、低损耗光波导器材料等。而它的发光性质及电子辐射稳定性则使其成为一种很好的单色场发射低压平面显示器材料、并在紫外光二极管激光器等电发光器件领域有潜在的应用前景。普通氧化锌也有吸收紫外线的功能、但它却不能应用于玻璃工业,这是因为它不能透过可见光。而纳米氧化锌粉体在吸收紫外线(吸收率可达95％以上)的同时，却可透过≥85％的可见光。因此，可以用于汽车玻璃和建筑用玻璃，这种含纳米氧化锌粉体的玻璃在屏蔽紫外线的同时、还可杀菌，从而也是自洁玻璃。

在实际应用过程中，人们发现微纳结构对ZnO性质影响巨大，这已被大量的实验和文献报道所证实。目前已知的ZnO结构包括零维结构、一维纳米结构、二维纳米结构和三维多级结构等。零维结构是指尺寸较小的纳米粒子，一维纳米结构包含纳米线，纳米管，纳米棒等，二维纳米结构主要包括纳米片、纳米盘等。三维多级结构包含初级结构和次级结构，初级结构可以是零维、一维或者二维，次级结构根据初级结构之间的组装方式而往往不同。例如，三维亚微米ZnO多级结构小球是由众多的小尺寸ZnO纳米颗粒组成。通过将一维的纳米线进行组装，可以获得海胆状的三维多级结构。三维多级结构保留了其初级结构的优点，同时也因为尺寸和结构效应产生了更多的优点。例如，由纳米粒子(尺寸在20nm左右)进行有序组装而成的小球(尺寸为亚微米或微米级)保留了小尺寸粒子比表面积大的优点，于此同时，因为这种多级结构本身的尺寸在亚微米或微米，因此还对可见光具有良好的散射效果，是一种理想的染料敏化太阳能电池(简称DSCs)的光阳极材料。由纳米片组成的三维多级结构(外观类似花状结构)除了具有比表面积大、光散射性能良好等优点，还可以进行电子的快速传输以及液体的快速渗透。目前，这种花状结构ZnO已在光催化降解有机物、光解水制氢、气体传感器以及DSCs光阳极方面取得了良好的性能。根据文献报道，这种花状结构ZnO的制备方法包括水热法、溶剂热法、原位生长法、电化学沉积法、水浴沉积法等等。以上方法尽管可以制备出性能良好的花状结构ZnO，但制备过程复杂、成本高且不易实现大规模制备。

共沉淀法是一种制备ZnO粉体的简便方法，具有收率高、反应快、易于放大等优点，但共沉淀法在制备过程中由于前驱体扩散不利等因素会产生形貌控制困难等问题，因此制备出的样品大小、形貌不均一，性能不稳定。

发明内容

针对上述现有技术的问题，本发明提供了一种具有花状微纳结构的ZnO粉体的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将锌盐溶液注入到强碱溶液中；