專利名稱：納米結(jié)構(gòu)氧化鋅及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化鋅的制備方法，盡管不僅僅涉及但尤其涉及納米結(jié) 構(gòu)氧化鋅粉末的制備方法。 背景氧化鋅已經(jīng)廣泛地用于油漆、化妝品、涂料、電子設(shè)備、樹脂和纖 維。氧化鋅的許多制備方法是已知的并且通常由作為起始材料的鋅金屬 開始。通常，存在兩種不同的制備氧化鋅的方法。它們是濕化學(xué)方法和 干/氣相化學(xué)方法。干化學(xué)方法通常使用將金屬鋅粉末蒸發(fā)的熱源。蒸發(fā)的鋅粉與主要 包含氧氣的加工氣體反應(yīng)而形成氧化鋅。然后冷卻和收集所得的氧化鋅。這些方法通常屬于兩個區(qū)域a) 將原材料預(yù)處理并投入熱源如爐子中。在環(huán)境的合適控制下產(chǎn)生 氧化鋅的所需形態(tài)。這些通常是間歇法。b) 將原材料和加工氣體在線預(yù)處理，然后將它們"注入"反應(yīng)器以完 成所需反應(yīng)。這也更可能是間歇法。在一些干化學(xué)方法，如US5066475公開的干化學(xué)方法中，需要將金 屬鋅粉末預(yù)處理，用 一層氧化膜將它涂覆然后在包含分子氧的環(huán)境中將 該表面氧化的粉末熱處理以產(chǎn)生晶須和四足氧化鋅。為了發(fā)生完全氧化 以避免未反應(yīng)的鋅污染最終產(chǎn)物，必須將體系的所需溫度維持。在一些 干化學(xué)方法，如EP1215174公開的干化學(xué)方法中，使用若干加熱器獲得 體系的所需溫度然后將溫度維持。這些加熱器為方法的不同階段所需 要。在這一出版物中，惰性氣體首先穿過第一加熱器以提高其溫度，然 后與金屬鋅粉末一起注入蒸發(fā)器。金屬鋅粉末蒸發(fā)，然后將蒸發(fā)器中的 鋅蒸氣和惰性氣體的混合物輸入另一個加熱器以進(jìn)一步加熱該混合物。 這一混合物穿過噴嘴然后被注入反應(yīng)器。同時，在又一個加熱器中將氧化性氣體加熱，然后將它引入該反應(yīng)器。在這一方法中使用若干加熱器 是為了確保金屬鋅粉末的完全氧化/反應(yīng)。還為了確保連續(xù)操作和改進(jìn) 反應(yīng)速度。為了提高從加熱器元件到原材料氣體的熱傳導(dǎo)，在這一現(xiàn)有 技術(shù)中使用促進(jìn)熱傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)性介質(zhì)。然而，使用該熱傳導(dǎo)性介質(zhì)(它 與反應(yīng)物物理接觸)將增加所得產(chǎn)物的可能雜質(zhì)，因為引入了更多外來 材料。在上面描述的方法中，蒸發(fā)和氧化在不同的腔室中進(jìn)行。在此類體 系中，維持該體系的所需溫度以使蒸發(fā)和氧化進(jìn)行完全可能是困難的。 一個解決方案是使用若干適合的加熱器或熱維持設(shè)備以獲得或維持所 需溫度。然而，由于需要將若干特制的加熱器用于操作，生產(chǎn)成本往往 較高。在JP05097597中，將從燃燒室產(chǎn)生的燃燒氣體(熱源)加入反應(yīng)烘 箱。來自燃燒氣體的熱使被注入反應(yīng)腔室的熔融的鋅蒸發(fā)。所述蒸發(fā)的 鋅與燃燒氣體反應(yīng)而形成氧化鋅。在這一方法中，蒸發(fā)和氧化在同一個 腔室中進(jìn)行。使用反應(yīng)烘箱來補(bǔ)充不充足的由燃燒區(qū)產(chǎn)生的熱將體系的 溫度維持。然而，由于燃燒氣體產(chǎn)生的低溫，由此產(chǎn)生的氧化鋅的尺寸 可能不具有所需的納米尺寸。此外，燃燒氣體是潛在的附加的雜質(zhì)源。 發(fā)明的目的因此，本發(fā)明目的是提供納米級氧化鋅的制備方法，該方法解決了 上述缺點或考將至少為公眾提供有用的選擇。 發(fā)明概述 .因此，在第一個方面中，本發(fā)明在于納米結(jié)構(gòu)氧化鋅粉末的制備方 法，該方法包括以下步驟a. 將選自金屬,鋅或鋅化合物的鋅源和包括氧化性氣體的加工氣體 混合物(反應(yīng)物)引入反應(yīng)器，b. 同時在反應(yīng)器中，將反應(yīng)物加熱到有效使鋅蒸發(fā)和使所述反應(yīng)物 起反應(yīng)的加；溫度^形成粉末產(chǎn)物，和c. 回收所述粉末產(chǎn)物。 優(yōu)選地，所述方法是連續(xù)方法。優(yōu)選地，所述加工溫度為1200k-10， OOOK。 優(yōu)選地，所述加工溫度為1500K-3800K。 優(yōu)選地，所述鋅源是金屬鋅。優(yōu)選地，所述金屬鋅選自粉末鋅和鋅絲中的一種或兩種。 優(yōu)選地，金屬鋅是鋅粉并且具有1毫米-l微米的平均顆粒尺寸。 優(yōu)選地，所述金屬鋅粉末具有基本上5微米的平均顆粒尺寸。 優(yōu)選地，所述平均鋅粉顆粒尺寸為基本上5微米。 優(yōu)選地，所述氧化性氣體至少包含氧原子，并且其再結(jié)合勢能高于 ZnO的形成。優(yōu)選地，所述氧化性氣體是氧氣。優(yōu)選地，所述氧化性氣體占加工氣體混合物的5wty。-95wt。/n。 優(yōu)選地，所述氧化性氣體占加工氣體混合物的1 Owt%-6Owt%。 優(yōu)選地，所述加工氣體混合物包括惰性氣體和輔助氣體中的一種或 多種。優(yōu)選地，所述加工氣體混合物除了氧氣之外還包括氬氣和氮氣以及 氫氣。優(yōu)選地，所述加工氣體混合物包括氬氣和空氣。 優(yōu)選地，使用熱源將反應(yīng)物加熱到加工溫度。 優(yōu)選地，所述反應(yīng)器包括熱源。優(yōu)選地，所述熱源選自氣體-燃料燃燒熱源、等離子熱源、熱箱 (hotbox)、電弧中的一種。優(yōu)選地，所述熱源是具有一種或多種原料氣和一種或多種等離子放 電氣體的等離子噴柃，并且加工氣體混合物中的一種或多種氣體至少是 所述等離子噴槍的一種或多種原料氣和一種或多種等離子放電氣體的 組分。優(yōu)選地，鋅的蒸發(fā)、反應(yīng)物的反應(yīng)和氧化鋅粉末產(chǎn)物的初始冷卻都 在單個反應(yīng)器腔室中進(jìn)行。優(yōu)選地，所述反應(yīng)器腔室包括進(jìn)行鋅的蒸發(fā)的初始加熱區(qū)域、進(jìn) 行反應(yīng)物的反應(yīng)以形成氧化鋅的化學(xué)反應(yīng)區(qū)域、和將氧化鋅粉末產(chǎn)物迅速冷卻的區(qū)域。優(yōu)選地，所述回收步驟包括將粉末產(chǎn)物過濾和/或?qū)⒎勰┊a(chǎn)物進(jìn)一 步冷卻。優(yōu)選地，所述方法包括在回收步驟之前的淬火步驟，該步驟使顆粒 產(chǎn)物的尺寸生長減緩或停止。優(yōu)選地，顆粒產(chǎn)物的至少一維具有10-3， OOOnm的平均尺寸。 優(yōu)選地，顆粒產(chǎn)物的至少一維具有10-800nm的平均尺寸。 優(yōu)選地，所述粉末產(chǎn)物的形態(tài)是O-、 l-、 2-和3-維中的一種或多種。 優(yōu)選地，所述粉末產(chǎn)物的形態(tài)可以通過改變該方法的一個或多個操 作參數(shù)來改變。優(yōu)選地，所述操作參數(shù)包括以下參數(shù)中的一個或多個a. 加工氣體的性質(zhì)，b. 熱源的功率c. 熱源的溫度，d. 力口工溫度，e. 熱源的特性，f. 粉末產(chǎn)物的冷卻速率。根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供根據(jù)如上所述的方法制備的納米結(jié) 構(gòu)氧化鋅粉末。本發(fā)明的其它方面可以從以下僅通過舉例給出的并參照附圖的說 明而變得顯而易見。對于本發(fā)明所述相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以在不脫離所附 權(quán)利要求書中所界定的本發(fā)明的范圍的情況下，對本發(fā)明的構(gòu)造和不同 的實施例以及應(yīng)用做出多種改變。本發(fā)明的公開內(nèi)容以及說明書在此僅 僅是示意性的并且并非旨在對本發(fā)明進(jìn)行限制。定義在本說明書中，當(dāng)使用以下術(shù)語時，它們具有以下意義 粉末呈微小疏松顆粒形式的固體物質(zhì)，它們以不同的尺寸、形態(tài) (形狀)、結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)地存在。所述微粒可以細(xì)到〈10nm并且粗到Mmm，這取決于上下文；形態(tài)&結(jié)構(gòu)包括0-D、 l-D、 2-D&3-D、固體至多孔、結(jié) 晶至無定形；表面質(zhì)地可以選自平滑、無規(guī)和顯著粗糙。納米結(jié)構(gòu)經(jīng)測量它的至少一個尺寸處于納米級(數(shù)量級為10—9) 的物體和/或納米級實體的物體形式(即物體本身和/或形成該物體的細(xì) 小要素的尺寸處于納米級)。反應(yīng)器所謂的"反應(yīng)器"是指在本發(fā)明的方法期間適合于封裝反 應(yīng)物的腔室或其它空間。輔助氣體所謂的"輔助氣體"是指除基本加工氣體(如氧化性氣 體)以外的氣體，其用來確保體系的平穩(wěn)操作。氧化氣體所謂的"氧化氣體"是指包含至少一個氧原子的氣體或 氣體混合物。該氣體可以分解以釋放用于反應(yīng)的氧原子。 附圖簡述現(xiàn)將參照附圖描述本發(fā)明，在附圖中 圖l說明本發(fā)明的優(yōu)選方法的流程圖；圖2是使用根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的方法連續(xù)制備氧化鋅的設(shè)備 的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明方法制備的氧化鋅晶須和四足結(jié)構(gòu)在10， OOO放大 倍數(shù)下的電子顯微照片；圖4是根據(jù)本發(fā)明方法制備的氧化鋅晶須和四足結(jié)構(gòu)在70， 000放大 倍數(shù)下的電子顯微照片；圖5是與多腿氧化鋅產(chǎn)物的一個腿有關(guān)的透射電子顯微鏡照片；圖6是氧化鋅粉末產(chǎn)物的實施例XRD光鐠和測量峰與標(biāo)準(zhǔn)參考氧化 鋅峰之間的對比，和圖7是根據(jù)本發(fā)明的方法制備的O-維氧化鋅粉末的電子顯微照片。 該結(jié)構(gòu)可在完全焦點中的顯微照片的中央部位看見。 詳細(xì)描述本發(fā)明涉及納米結(jié)構(gòu)的氧化鋅粉末的新型制備方法，以及根據(jù)該方 法制備的產(chǎn)物。具體地說，新穎性在于這是連續(xù)制備方法的事實，在該制備方法中，不需要材料預(yù)處理。不應(yīng)用獨立的方法也不對材料供給的獨立腔室/階 段存在任何要求，從而允許使用連續(xù)方法而不是間歇方法。因此，本發(fā) 明方法繞過了現(xiàn)有技術(shù)中進(jìn)行的各種前體方法。直接地將加工材料(固 體和氣體)供入反應(yīng)器而不需要任何材料預(yù)處理。另外，該方法可以制備大量產(chǎn)物。例如，我們保守地獲得了6kg/hr 的ZnO生產(chǎn)速率，并且產(chǎn)物是納米結(jié)構(gòu)的(20-30nm結(jié)構(gòu)化的直徑和 200-300nm的長度)。這僅是在一半設(shè)計能力下的操作結(jié)果。 本發(fā)明的方法圖l顯示了本發(fā)明優(yōu)選方法的流程圖。新型方法的一般特征包括如下a) 原材料原材料將包括鋅源。鋅源可以是金屬鋅，適宜地呈金屬絲或粉末形 式，或可以在反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)變成鋅離子的鋅化合物。優(yōu)選所述鋅源是金屬鋅。如果使用粉末，則粉末尺寸可以為數(shù)微米 至數(shù)百微米。如本領(lǐng)域技術(shù)人員預(yù)期的那樣，本發(fā)明還包括其中金屬鋅 包括碳酸鹽涂層的情況，所述碳酸鹽涂層通常在暴露于濕空氣下時在金 屬鋅上形成。或者，鋅源可以是能夠轉(zhuǎn)變成鋅離子的鋅化合物?？梢杂糜诒景l(fā)明 的鋅化合物的實例包括氯化鋅和氫氧化鋅。b) 加工氣體加工氣體的基本特征是存在至少一種氧化性氣體。此類氣體包括氧 氣和基本上任何包含氧原子的氣體(例如NOx)，只要其再結(jié)合勢能高 于ZnO的形成，因為這樣的氣體將在該源下分解和電離。氧氣是優(yōu)選的氧化性氣體并且氧含量優(yōu)選為〈10wtW至〉90wtt該混 合物中的其它氣體可以包括輔助氣體如Ar、 &和112。在一種情況下，作為說明性的實例，氣體混合物是空氣和 18wt。Mr，并具有痕量來自濕空氣的水蒸氣。c) 條件/設(shè)備用來促進(jìn)本發(fā)明方法的設(shè)備將需要高溫?zé)嵩矗鼈儼ǖ幌抻跉怏w-燃料燃燒、等離子、熱箱、電弧等，只要金屬鋅的蒸發(fā)是可能的。 一種優(yōu)選的配置使用等離子噴槍作為熱源。在這一優(yōu)選的配置中，加工 氣體也是加熱氣體的 一部分并且它們是等離子放電體的 一部分。至少，為了使金屬鋅粉末蒸發(fā)，該熱源溫度需要〉1， 200。K。加熱持 續(xù)時間取決于鋅的粉末尺寸。例如，在這一溫度下，對于使粉末尺寸 10jam的粉末完全蒸發(fā)，將花費不到一秒鐘。所制備的氧化鋅粉末尺寸 也可以較大。在該優(yōu)選的配置中，熱源的溫度可以容易地達(dá)到>5， 000。K,并且完 全蒸發(fā)和反應(yīng)時間花費〈100msec。因此，在這一溫度下，鋅幾乎瞬時蒸發(fā)成鋅蒸氣。該蒸氣然后與氧 化氣體(它們是等離子氣體的一部分)反應(yīng)并且?guī)缀跛矔r形成氧化鋅。 本發(fā)明的方法不需要任何外部熱源來維持反應(yīng)。所述設(shè)備包括反應(yīng)器。金屬鋅的蒸發(fā)過程以及與加工氣體發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)形成氧化鋅產(chǎn)物將在該反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。該反應(yīng)器優(yōu)選包括熱源。在優(yōu)選的配置中，反應(yīng)器是包括熱源的單個腔室，它實施材料蒸發(fā)、 化學(xué)反應(yīng)(包括將任何形成的中間配合物轉(zhuǎn)化成氧化鋅)、以及將氧化 鋅粉末產(chǎn)物初始的快速冷卻。反應(yīng)器出口可以與任選的噴嘴連接。它可 以用來(任選地)進(jìn)一步使氧化鋅顆粒淬火或停止生長，以控制它們的 顆粒尺寸。在反應(yīng)之后收集產(chǎn)物粉末。在優(yōu)選的設(shè)備中，這在收集室中經(jīng)由物 理過濾進(jìn)行。我們此前公開了作為我們的新加坡專利申請200400806-8中的一個 實施方案的適合于制備根據(jù)本發(fā)明方法的納米級氧化鋅的設(shè)備，該文獻(xiàn) 的內(nèi)容在此引入作為參考。 d)方法/反應(yīng) ；所述方法優(yōu)選是連續(xù)生產(chǎn)方法，其中金屬鋅^f皮蒸發(fā)并與加工氣體起 反應(yīng)而形成氧化鋅粉末產(chǎn)物。不希望受到任何特殊理論的束縛，我們相 信反應(yīng)可以經(jīng)由中間物良好地進(jìn)行，所述中間物呈羥基氮化鋅配合物形 式。我們相信，如果形成這一配合物，則進(jìn)行這一配合物的進(jìn)一步熱處理，產(chǎn)生晶須或腿狀結(jié)構(gòu)的ZnO產(chǎn)物。這一熱處理由于在反應(yīng)器內(nèi)的熱 源的余熱而進(jìn)行。圖l顯殺了本發(fā)明方法的示意流程圖，圖2顯示了適合于促進(jìn)本發(fā)明 方法的i殳備。參照

圖1和2，本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案包括首先將金屬鋅和第一 加工氣體同Bt供入k應(yīng)器5的加熱區(qū)域10的步驟。金屬鋅和第一加工氣 體通過首先務(wù)別穿過相同或不同的送料器2和4進(jìn)入反應(yīng)器的加熱區(qū)域 10而^皮注入反應(yīng)器。熱源l包括但不限于氣體-燃料燃燒、等離子噴槍、熱箱、電弧等。 如此前提及的那樣，在優(yōu)選的形式中，反應(yīng)器包括熱源l，它是溫度大 于5， OOOK的等離子噴槍。在一個優(yōu)選實施方案中，使用兩種加工氣體。 一種加工氣體優(yōu)選至 少包'含惰性氣體如氬氣作為輔助氣體，所述輔助氣體在使用等離子噴槍 作為熱源的情況下幫助維持等離子放電體。據(jù)預(yù)期，當(dāng)采用不同的熱源 時，也可以使用其它的加工氣體。在一個優(yōu)選的形式中，加工氣體是包 含大約12-22wt。/。氬氣的壓縮空氣。幾乎同時地，通過第二/第三送料器3以及通過加熱區(qū)域10將包含至 少一種氧化性氣體如氧氣的第二加工氣體引入。第二加工氣體中的氧含 量優(yōu)選為10wty廣90wt。/i。在其它的實施方案中，將加工氣流合并。分離出加工氣體的優(yōu)點是 通過不同的進(jìn)料路線將氣體進(jìn)料，這允許防止源壁在長時間的連續(xù)操作 過程中過熱，即加工氣體的一部分用作屏障以維持所述壁處于所需溫度 以及防止所述壁釋放雜質(zhì)。第一和第二加工氣體可以是相同的氣體。第一和第二加工氣體形成熱源l的加熱氣體的一部分。在使用等離 子噴槍的情況下，它們是來自等離子噴槍的等離子放電體的一部分。當(dāng)穿過力P熱區(qū)域10時，來自熱源l的高溫幾乎瞬時將金屬鋅蒸發(fā)。 在這種情況下，金屬鋅的蒸發(fā)幾乎是完全的。穿過加熱區(qū)域10(它在該優(yōu)選實施方案中是等離子源能量區(qū)域)的流體將當(dāng)時的轉(zhuǎn)化的蒸發(fā)的金屬鋅從等離子源能量區(qū)域10輸送到反應(yīng)器5內(nèi)部的反應(yīng)區(qū)12中。也是等離子放電體一部分的笫二加工氣體在高溫條件下是極其活 性的。當(dāng)鋅蒸氣從等離子源能量區(qū)域10行進(jìn)到反應(yīng)區(qū)12中時，它與由此形成的鋅蒸氣反應(yīng)而形成氧化鋅。當(dāng)?shù)诙庸怏w和鋅蒸氣都在反應(yīng)區(qū) 12中時，鋅蒸氣氧化形成氧化鋅的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。來自等離子噴槍的高 溫允許在反應(yīng)區(qū)12內(nèi)進(jìn)行鋅蒸氣的幾乎完全氧化。值得注意，反應(yīng)(包括蒸發(fā)和氧化)在區(qū)域10和12中間開始和完成。 理論上，這些過程應(yīng)該是連續(xù)的，即蒸發(fā)接著氧化。但實際上，由于小 的體積和動態(tài)條件，將這些過程空間上區(qū)分幾乎是不切實際的。加工氣 體以大于10m7hr，優(yōu)選大于15m7hr的速度流動。在反應(yīng)形成氧化鋅之后，"剛剛形成的"氧化鋅將在反應(yīng)器中的膨 脹或冷卻區(qū)域中經(jīng)歷快速冷卻。所述冷卻或膨脹區(qū)域可以物理上與反應(yīng) 區(qū)12布置在相同或相鄰的位置。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)由等離子噴槍產(chǎn)生的等離 子膨脹時，它也將冷卻并且冷卻速率可能極快；這是因為在本發(fā)明的優(yōu) 選方法中不存在防止等離子冷卻的外部加熱或密閉。冷卻速率優(yōu)選大于 104K/sec，優(yōu)選大于5xl0t/sec?？焖倮鋮s使該方法能夠在高的生產(chǎn)速 率下荻得納米級氧化鋅粉末。在一種形式中，反應(yīng)器出口可以與會聚/擴(kuò)散噴嘴6的下游連接。在 反應(yīng)區(qū)12中形成的氧化鋅穿過所述會聚/擴(kuò)散噴嘴6并且該流體被淬火。 會聚/擴(kuò)散噴嘴6的主要目的是進(jìn)一步使氧化鋅產(chǎn)物淬火和使氧化鋅顆 粒的生長停止，從而控制顆粒尺寸。應(yīng)指出，噴嘴6的使用是任選的。 在不使用這一淬火噴嘴的情況下也形成納米級氧化鋅，然而它的存在確 實允許我們進(jìn)一 步控制產(chǎn)物的特性。在會聚/擴(kuò)散噴嘴6的下游，提供了冷卻室9。所述冷卻室9也是收集 室，用于收集在穿過會聚/擴(kuò)散噴嘴6之后形成的幾乎冷卻的氧化鋅形 式。在該收集室中通過物理過濾收集氧化鋅粉末。也可以采用其它適合 的方法。通過用于包裝的輔助泵提取來自收集室的氧化鋅粉末。在這一 體系中，不需要外部加熱器來提供熱源或維持該體系發(fā)生完全的蒸發(fā)、氧化/反應(yīng)過程所需要的溫度。在該優(yōu)選的形式中，反應(yīng)器5是單個腔室， 它實施材料蒸發(fā)、材料的氧化/化學(xué)反應(yīng)，包括將形成的任何中間物配 合物(如羥基氮化鋅)轉(zhuǎn)化成氧化鋅。來自等離子噴槍l的高溫足以維 持反應(yīng)器5的溫度。它排除了將若干加熱器用于該方法的不同階段的需 要。同此公開的方法是連續(xù)方法而不是間歇方法。它允許在較小的反應(yīng) 器體積(優(yōu)選小于28升)下大規(guī)模生產(chǎn)納米級氧化鋅粉末，優(yōu)選產(chǎn)量大 于6kg/hr。這一方法允許將加工材料(固體和氣體)直接進(jìn)料，而不需 要在將材料加入反應(yīng)器之前進(jìn)行任何材料預(yù)處理。 ZnO產(chǎn)物采用本發(fā)明的方法，我們能夠通過改變一個或多個操作參數(shù)，尤其 是氣體的溫度分布和組成，制備不同形態(tài)的氧化鋅粉末。例如，當(dāng)氧化氣體包含大于大約90wty。氧氣并且當(dāng)該方法是以等離子能量的低端進(jìn)行的時，可以獲得主要具有O-D形態(tài)的氧化鋅，如圖7所示。另一方面，如 果氧化氣體包含較低氧含量(例如大約10wt。/。-60wt"，則可以獲得1-D 和3-D結(jié)構(gòu)的混合物。通常優(yōu)選產(chǎn)生此類l-D和/或3-D結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明的優(yōu)選形式涉及多維結(jié)構(gòu)納米級氧化鋅粉末的制備方 法。所謂的多維是指具有除O-維(O-D)以外的形態(tài)和結(jié)構(gòu)的粉末。這 包括l-D (例如具有細(xì)直徑的棒)；2-D (例如非常薄的板和盤)和3-D。 氧化鋅粉末優(yōu)選具有l(wèi)-維結(jié)構(gòu)例如晶須和桿結(jié)構(gòu)，和/或3-維結(jié)構(gòu)例如 四足或多腿結(jié)構(gòu)。圖3和4顯示了由這一方法制備的氧化鋅晶須和四足體 的實例，同時圖5顯示了在透射電子顯微鏡下的3-維結(jié)構(gòu)的腿之一。由本發(fā)明的方法制備的氧化鋅粉末產(chǎn)物優(yōu)選呈顆粒形式，該顆粒具 有20-30nm的平均直徑和200-300nm的平均長度。通常，如果顆粒具有桿 (l-D)的結(jié)構(gòu)，則直徑為10-50nm，其長度為50-500nm。如果顆粒具有 四足體(3-D)的結(jié)構(gòu)，則一個腿的直徑為10-50nm，總體結(jié)構(gòu)尺寸為 200-1000nm。 實驗雖然已經(jīng)參照優(yōu)選的實施方案描述了本發(fā)明，但是不應(yīng)理解為本發(fā)明限于這些實施方案。此外，當(dāng)已經(jīng)提及了特定步驟或材料，并且已知 存在它們的等同物時，在此將這些等同物引入就象特別說明了一樣。雖然已經(jīng)通過實施例并且參照特定的實施方案描述了本發(fā)明，但是 應(yīng)該理解的是在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可以作出修改和/ 或改進(jìn)。另外，當(dāng)本發(fā)明的特征或方面根據(jù)Markush組描述時，本領(lǐng)域技術(shù)了描述,
權(quán)利要求
1.納米結(jié)構(gòu)氧化鋅粉末的制備方法，包括以下步驟a.將選自金屬鋅或鋅化合物的鋅源和包括氧化性氣體的加工氣體混合物(反應(yīng)物)引入反應(yīng)器，b.同時在反應(yīng)器中，將反應(yīng)物加熱到有效使鋅蒸發(fā)和使所述反應(yīng)物起反應(yīng)的加工溫度以形成粉末產(chǎn)物，和c.回收所述粉末產(chǎn)物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述方法是連續(xù)方法。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述加工溫度為1200K-10， OOOK。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述加工溫度為1， 500K-3, 800K。
5. 上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述鋅源是金屬鋅。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述金屬鋅選自粉末鋅或鋅絲中的 一種或兩種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中金屬鋅是鋅粉并且具有l(wèi)毫米-l微米 的平均顆粒尺寸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述金屬鋅粉末具有基本上5微米的 平均顆粒尺寸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述平均鋅粉顆粒尺寸為基本上5微米。
10. 上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述氧化性氣體至少包含 氧原子，并且其再結(jié)合勢能高于ZnO的形成。
11. 根振權(quán)利要求10的方法，其中所述氧化性氣體是氧氣。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述氧化性氣體占加工氣體混合 物的5wty廣95wt0/。。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述氧化性氣體占加工氣體混合 物的10wt。/。-60w"。
14. 上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述加工氣體混合物可以 包括惰性氣體和輔助氣體中的 一種或多種。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述加工氣體混合物除了氧氣之 外還包括氬氣和氮氣以及氫氣。
16. 根振權(quán)利要求l5的方法，其中所述加工氣體混合物包括氬氣和 空氣。
17. 上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中使用熱源將反應(yīng)物加熱到 力口工溫度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述反應(yīng)器包括熱源。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18的方法，其中所述熱源選自氣體-燃料燃燒 熱源、等離子體熱源、熱箱、電弧中的一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述熱源是具有一種或多種原料 氣和一種或多種等離子體放電氣體的等離子體噴槍，并且加工氣體混合 物中的一種或多種氣體是所述等離子噴槍的一種或多種原料氣和一種 或多種等離子體放電氣體的至少一種組分。
21. 上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中鋅的蒸發(fā)、反應(yīng)物的反應(yīng) 和氧化鋅粉末產(chǎn)物的初始冷卻都在單個反應(yīng)器腔室中進(jìn)行。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述反應(yīng)器腔室包括進(jìn)行鋅的 蒸發(fā)的初始加熱區(qū)域、進(jìn)行反應(yīng)物的反應(yīng)以形成氧化鋅的化學(xué)反應(yīng)區(qū) 域、和將氧化鋅粉末產(chǎn)物迅速冷卻的區(qū)域。
23. 上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述回收步驟包括將粉末 產(chǎn)物過濾和/或?qū)⒎勰┊a(chǎn)物進(jìn)一步冷卻。
24. 上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述方法包括在回收步驟 之前的淬火步驟，該步驟使顆粒產(chǎn)物的尺寸生長減緩或停止。
25. 上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中顆粒產(chǎn)物的至少一維具有 10-3, OOOnm的平均尺寸。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中顆粒產(chǎn)物的至少一維具有 10-800nm的平均尺寸。
27. 上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述粉末產(chǎn)物的形態(tài)是O-、 l-、 2-和3-維中的一種或多種。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述粉末產(chǎn)物的形態(tài)可以通過改變該方法的一個或多個操作參數(shù)來改變。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中所述操作參數(shù)包括以下參數(shù)中的一個或多個a. 加工氣體的特性，b. 熱源的功率，c. 熱源的溫度，d. 力口工溫度，e. 熱源的特性，f. 粉末產(chǎn)物的冷卻速率。
30. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述氧化性氣體占加 工氣體混合物的10wt%-6Owt°/。，納米結(jié)構(gòu)氧化鋅粉末產(chǎn)物的形態(tài)是l-和 3-維中的一種或多種。
31. 根據(jù)權(quán)利要求l-30中任一項或多項的方法制備的納米結(jié)構(gòu)氧化 鋅粉末。
全文摘要
納米結(jié)構(gòu)氧化鋅粉末的制備方法。所述方法包括將選自金屬鋅或鋅化合物的鋅源和包括氧化性氣體的加工氣體混合物(反應(yīng)物)引入反應(yīng)器。同時在反應(yīng)器中，將反應(yīng)物加熱到有效使鋅蒸發(fā)和使所述反應(yīng)物起反應(yīng)的加工溫度以形成粉末產(chǎn)物，回收粉末產(chǎn)物。
文檔編號C01G9/03GK101151214SQ200580047722
公開日2008年3月26日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者K·韋拉, 吉 亨, 王添財 申請人:納米科技創(chuàng)造私人有限公司