ZnO介孔納米纖維的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種一維納米纖維材料，特別是ZnO介孔納米纖維。
[0002]本發(fā)明中TS指茶皂素；ZnAc指代醋酸鋅，包括含水醋酸鋅或者無水醋酸鋅；圓形或者橢圓形或者扁帶狀中的圓形或者橢圓形或者扁帶狀或者近圓形或者近橢圓形或者近扁帶狀包括而不限于正圓、光滑或者不光滑的近圓形、橢圓、光滑或者不光滑的近橢圓形、扁平帶狀、光滑或者不光滑或者曲折的扁形結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0003]由于一維納米材料在光電子學(xué)、電子學(xué)、熱力學(xué)等方面表現(xiàn)出來的特性以及在光電、微電子器件、環(huán)境以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景，收到了越來越多的重視。ZnO是一種重要的I1-V族直接帶系寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有合適的禁帶寬度，常溫下為3.37eV，較高的激子束縛能，高于60meV，低廉的價(jià)格，較好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和很高的化學(xué)穩(wěn)定性，這使得納米ZnO材料在半導(dǎo)體材料、光電轉(zhuǎn)化、光催化以及傳感器等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。一維無機(jī)納米材料，由于其不同于塊體材料的獨(dú)特物理化學(xué)性能使它們在未來納米器件等領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用前景。制備一維ZnO材料的方法有很多種，其中靜電紡絲法是近年來發(fā)展起來的一種制備ZnO納米纖維的方法。靜電紡絲技術(shù)始于上世紀(jì)30年代，興起于上世紀(jì)90年代。由于其制備工藝簡單，成本低廉等特點(diǎn)越來越受到重視，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸由紡織業(yè)向生物醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體等領(lǐng)域拓展。所制備纖維的類型也由最初的高分子材料發(fā)展到無機(jī)材料和無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料。電紡ZnO納米纖維本身比表面積大、可以制備較長的一維結(jié)構(gòu)，電紡聚合物/ZnO納米纖維可以發(fā)射出較強(qiáng)白光，可應(yīng)用于白光納米器件，如LED和平板顯示器件。
[0004]此外，一維介孔ZnO材料具有寬帶系、高載流子迀移率、高化學(xué)穩(wěn)定性以及獨(dú)特的高比表面積等諸多優(yōu)異物理特性，在光催化、生物醫(yī)學(xué)、光電探測、氣體傳感器以及太陽能電池等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。各種形貌結(jié)構(gòu)、摻雜體系的一維介孔ZnO納米材料的制備研究已經(jīng)引起世界各國研究者的密切關(guān)注。
[0005]目前，ZnO介孔納米纖維材料的制備研究已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展，成功研制出了靜電紡絲法、水熱法、模板法和氣相沉積法。但仍然面臨著制備工藝復(fù)雜、材料純度較低、比表面積偏低等困難和挑戰(zhàn)。而且，ZnO介孔納米纖維材料結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)控的工作還未見報(bào)道，嚴(yán)重制約了 ZnO材料的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在作為光電材料時(shí)具有良好的活性和反應(yīng)靈敏度，同時(shí)產(chǎn)品純度高，通過調(diào)節(jié)靜電紡絲前驅(qū)體溶液中水和乙醇的含量，實(shí)現(xiàn)了 ZnO —維納米結(jié)構(gòu)從介孔圓柱狀纖維到介孔橢圓柱狀纖維再到介孔帶狀纖維的可控轉(zhuǎn)變，并且工藝簡單操作方便，具有良好的重復(fù)性。
[0007]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維，納米纖維主要組成元素為Ζη、0和其它不可避免的雜質(zhì)元素，
[0008]納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)的孔包括介孔；
[0009]其中Zn、O元素在納米纖維中的主要表現(xiàn)形式為ZnO (ZnO在納米線中晶型結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)或者立方閃鋅礦結(jié)構(gòu))，所述納米纖維在垂直于生長軸法向截面為圓形或者橢圓形或者扁帶狀或者近圓形或者近橢圓形或者近扁帶狀。
[0010]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的一種改進(jìn)，納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)且所述多孔結(jié)構(gòu)的孔均為介孔。
[0011]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的一種改進(jìn)，具有介孔結(jié)構(gòu)的納米纖維的比表面積為45-55m2/g，介孔的孔徑平均為3-20nm。
[0012]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法，包括如下步驟，I)、PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置；2)前軀體納米線制備；3) ZnO介孔納米纖維制備；
[0013]其中步驟2)前軀體納米線制備為將PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液經(jīng)紡絲(本處紡絲不僅僅包括采用各種紡絲機(jī)進(jìn)行紡絲，還包括采用其它物理化學(xué)方法將紡絲液成絲，如牽引拉絲等)得到前軀體納米線；
[0014]步驟3) ZnO介孔納米纖維制備為將步驟2)得到的前軀體納米線經(jīng)高溫煅燒，即可獲得ZnO介孔納米纖維。
[0015]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟2)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液經(jīng)靜電紡絲得到前軀體納米線，其中靜電紡絲的場強(qiáng)小于等于0.8KV/cm。
[0016]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟2)中得到的前軀體納米線還經(jīng)過干燥處理后再進(jìn)行高溫煅燒，干燥處理為低溫烘干或者室溫陰干。
[0017]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，低溫烘干為前軀體納米線在50-80°C下進(jìn)行8-14小時(shí)干燥處理。
[0018]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，室溫陰干為前軀體納米線在室溫條件下通風(fēng)干燥16-24小時(shí)，通風(fēng)風(fēng)速為l-2m/s。
[0019]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置為將適量PvP溶于乙醇中，常溫?cái)嚢璧玫骄煌该魅芤海缓蠹尤氪姿徜\、去離子水以及TS，再水浴加熱得到黃色PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液即可。
[0020]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置時(shí)乙醇與水的質(zhì)量比為(3-1):1，其中水為去離子水或者雙蒸水。通過控制前驅(qū)體溶液中的水和乙醇的含量，實(shí)現(xiàn)有機(jī)前驅(qū)體一維納米材料結(jié)構(gòu)的精確控制。
[0021]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置時(shí)每IgPVP溶解于6-9g乙醇中。即步驟I)配重得到的PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液中每含IgPVP則對應(yīng)地含有6-9g乙醇。
[0022]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置時(shí)紡絲液中每含IgPVP則去離子水或者雙蒸水使用量為3-6g。即步驟
I)配重得到的PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液中每含IgPVP則對應(yīng)地含有3_6g去離子水或者雙蒸水。
[0023]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置時(shí)紡絲液中每含IgPVP則TS使用量為0.5-0.9g。即步驟I)配重得到的PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液中每含IgPVP則對應(yīng)地含有0.5-0.9gTS。
[0024]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟3)中高溫煅燒為在煅燒溫度300-480°C下保溫煅燒l_3h，煅燒時(shí)納米線升溫速度為2-4°C /min。
[0025]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置時(shí)紡絲液中每含IgPVP則ZnAc使用量為2-4g(以二水醋酸鋅計(jì))。即步驟I)配重得到的PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液中每含IgPVP則對應(yīng)地含有2_4gZnAc (以二水醋酸鋅計(jì))。
[0026]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟3)中高溫煅燒為在空氣環(huán)境下進(jìn)行。
[0027]本發(fā)明公開的ZnO介孔納米纖維，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，活性高，其生產(chǎn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)高純度高質(zhì)量Zn0介孔納米纖維形貌結(jié)構(gòu)的精細(xì)控制，并且工藝簡單，生產(chǎn)效率高，操作簡便，無污染，成本控制性好，重復(fù)性好。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的固態(tài)有機(jī)前驅(qū)體納米纖維的低分辨倍率下掃描電鏡圖。
[0029]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的固態(tài)有機(jī)前驅(qū)體納米纖維截面掃描電鏡圖。
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的圓柱狀介孔ZnO納米纖維低分辨倍率下掃描電鏡圖。
[0031]圖4為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的單根圓柱狀介孔ZnO納米纖維掃描電鏡圖。
[0032]圖5為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的單根圓柱狀介孔ZnO納米纖維截面掃描電鏡圖。
[0033]圖6為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的圓柱狀介孔ZnO納米纖維材料X-射線衍射圖譜。
[0034]圖7為本發(fā)明實(shí)施例二所制得的固態(tài)有機(jī)前驅(qū)體納米纖維的低分辨倍率下掃描電鏡圖。
[0035]圖8為本發(fā)明實(shí)施例二所制得的固態(tài)有機(jī)前驅(qū)體納