專利名稱：一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一維納米材料制備方法，尤其是涉及一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅是一種寬禁帶，直接帶隙半導(dǎo)體氧化物，室溫下禁帶寬度為3. 37ev，激子束縛能為60Mev。氧化鋅是優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，可以實現(xiàn)室溫下的高效紫外發(fā)光，具有壓電、壓敏、光致發(fā)光、透明導(dǎo)電等多種性能。準(zhǔn)一維納米材料是目前材料研究中最熱門的領(lǐng)域之一。氧化鋅作為重要的氧化物半導(dǎo)體，其準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，人們已用準(zhǔn)一維氧化鋅納米材料構(gòu)造出各種器件，比如激光諧振腔、場效應(yīng)管、多種傳感器、太陽能電池、發(fā)光二極管、場發(fā)射器件、紫外發(fā)光器件、納米發(fā)電機(jī)等，并應(yīng)用到多個領(lǐng)域。氧化鋅具有眾多形態(tài)的準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)，其中納米帶是一種介于一維和二維之間的納米結(jié)構(gòu)，它具有長方形的界面，厚度極薄，在納米量級，寬度在幾十納米到幾百納米之間。這些帶狀的氧化鋅結(jié)構(gòu)顯示出優(yōu)越的物理性能。在國際上對氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的研究以美國佐治亞理工學(xué)院的王中林教授為主要代表。目前制備氧化鋅納米帶的方法有激光燒蝕法，水熱合成法，化學(xué)氣相沉積法，熱蒸發(fā)法，碳熱還原法等。經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Jinhu Yang, Guangming Liu, Jun Lu，Yongfu Qiu，and Shihe Yang 等人在 Applied Physics Letters (應(yīng)用物理快報，90，103109，2007) 上發(fā)表題為 Electrochemical route to the synthesis of ultrathin ZnO nanorod/ nanobelt arrays on zinc substrate (用電化學(xué)方法在鋅片基底上制備超薄的氧化鋅納米棒/納米帶)，該文采用電化學(xué)方法，在陰極鋅片上得到排布整齊的納米帶，具有較好的質(zhì)量，但是該法制備納米帶數(shù)量有限，不適合大量制備。公開號為CN1789136A的專利“制備氧化鋅納米線或氧化鋅納米帶的方法”，此發(fā)明利用醋酸鋅作為鋅源，在鋅片上沉積鋅，并用退火方法得到納米結(jié)構(gòu)，該方法制備方法簡單，形貌可控，但是仍具有產(chǎn)量小，生成周期長的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種采用氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的混合物作為反應(yīng)物，采用碳熱還原合成大量的氧化鋅納米帶，不需要額外的氣氛環(huán)境，直接使用空氣作為反應(yīng)氣體，既簡化了制備工序，省略了抽真空這一步驟，又簡化了氣路系統(tǒng)，進(jìn)一步減少了制備成本，本發(fā)明采用高頻感應(yīng)設(shè)備加熱反應(yīng)物，能使反應(yīng)物迅速升到較高溫度，節(jié)約了反應(yīng)時間。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)—種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，使用空氣作為氣氛環(huán)境，使用氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的混合物作為原料，使用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱混合物，收集得到白色棉絮狀的氧化鋅納米帶，具體包括以下步驟(1)以氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料為原料，將氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末按比例混合均勻；(2)將混合原料置于中空石墨管中，將石墨管置于水平石英管中，并且置于高頻設(shè)備的作用范圍內(nèi)；(3)開啟高頻設(shè)備的冷卻水及加熱電源，石墨管內(nèi)溫度迅速上升，石英管中出現(xiàn)大量白色煙霧，并在石英管內(nèi)壁上沉積，在加熱過程中需持續(xù)鼓入空氣；(4)繼續(xù)加熱，直至管內(nèi)煙霧消失，關(guān)閉加熱電源；(5)持續(xù)通入空氣，自然冷卻至室溫，在石墨管管內(nèi)和的管口周圍可以收集到的白色棉絮狀物質(zhì)即為氧化鋅納米帶。步驟(1)中所述的碳質(zhì)材料為石墨粉、焦炭或活性炭。步驟(1)中所述的氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的質(zhì)量比為7 1 1 1，保證碳質(zhì)材料適當(dāng)過量。步驟(1)中所述的氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的質(zhì)量比優(yōu)選3 1 4 1。步驟O)中所述的中空石墨管的規(guī)格為外徑30毫米，內(nèi)徑M毫米，長度12厘米，
一端封閉，另一端開口。步驟(3)中石墨管內(nèi)溫度在少于2分鐘的時間內(nèi)升溫至1200攝氏度以上。步驟⑷中繼續(xù)加熱的時間視原料多少而定，為2-4分鐘。氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料的蒸發(fā)和氧化鋅納米帶的沉積在同一根石英管中進(jìn)行。因為過量而殘留的碳質(zhì)材料，以及在非最優(yōu)生長區(qū)域沉積的氧化鋅均可回收，重新混合研磨作為反應(yīng)物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明直接使用空氣作為氣氛環(huán)境，簡化了氣路系統(tǒng)；使用高頻感應(yīng)爐作為加熱設(shè)備，能夠提供快速升溫，減少了反應(yīng)時間。本發(fā)明制備氧化鋅納米帶從投料開始到生長結(jié)束僅需5分鐘左右，生長的納米帶厚度為20 50納米之間，寬度在幾百個納米，長度可達(dá)數(shù)百微米。本發(fā)明的氧化鋅納米帶的生長遵循氣-液-固生長機(jī)制，碳質(zhì)材料在高溫下與氧化鋅反應(yīng)，還原出鋅單質(zhì)，氣態(tài)鋅隨氣流到達(dá)低溫區(qū)，期間與空氣中的氧氣結(jié)合成氧化鋅，在適當(dāng)區(qū)域沉積并繼續(xù)吸收氣氛中的氧化鋅，逐漸形成納米帶。


圖1為氧化鋅納米帶的掃描電子顯微鏡照片；圖2為氧化鋅納米帶的掃描電子顯微鏡照片。
具體實施例方式以下實例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。 下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。實施例1(1)用天平稱取適量氧化鋅粉末和焦炭粉末，質(zhì)量比為7 1 1 1均可，本實施方案稱取5克氧化鋅粉末和5克焦炭粉末，用研缽研磨混合均勻；(2)將混合原料置于中空石墨管中，石墨管的規(guī)格為長12厘米，外徑30毫米，內(nèi)徑對毫米，一端封閉，一端開口，將石墨管置于水平石英管中，并且置于高頻線圈的的作用范圍內(nèi)；(3)開啟高頻設(shè)備的冷卻水，開啟設(shè)備加熱電源，石墨管內(nèi)溫度迅速上升，大概2 分鐘內(nèi)石墨管內(nèi)溫度上升到1200攝氏度左右，持續(xù)通入空氣，石英管中出現(xiàn)大量白色煙霧，并在石英管壁上沉積；(4)繼續(xù)加熱3分鐘，直至管內(nèi)煙霧消失，關(guān)閉加熱電源；(5)持續(xù)通入空氣，自然冷卻至室溫，在石墨管內(nèi)和管口附近可以收集到大量白色棉絮狀氧化鋅納米帶，合成得到的氧化鋅納米帶的掃描電子顯微鏡照片如圖1-2所示。實施例2一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，使用空氣作為氣氛環(huán)境，使用氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的混合物作為原料，使用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱混合物，收集得到白色棉絮狀的氧化鋅納米帶，具體包括以下步驟(1)以氧化鋅粉末和石墨粉為原料，氧化鋅粉末和石墨粉的質(zhì)量比為3 1，保證石墨粉適當(dāng)過量，將其混合均勻；(2)將混合原料置于中空石墨管中，中空石墨管的規(guī)格為外徑30毫米，內(nèi)徑M毫米，長度12厘米，一端封閉，另一端開口，將中空石墨管置于水平石英管中，并且置于高頻設(shè)備的作用范圍內(nèi)；(3)開啟高頻設(shè)備的冷卻水及加熱電源，石墨管內(nèi)的溫度在1分鐘的時間內(nèi)升溫至1300攝氏度，石英管中出現(xiàn)大量白色煙霧，并在石英管內(nèi)壁上沉積，在加熱過程中需持續(xù)鼓入空氣；(4)繼續(xù)加熱2分鐘，直至管內(nèi)煙霧消失，關(guān)閉加熱電源；(5)持續(xù)通入空氣，自然冷卻至室溫，在石墨管管內(nèi)和的管口周圍可以收集到的白色棉絮狀物質(zhì)即為氧化鋅納米帶，因為過量而殘留的碳質(zhì)材料，以及在非最優(yōu)生長區(qū)域沉積的氧化鋅均可回收，重新混合研磨作為反應(yīng)物。實施例3一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，使用空氣作為氣氛環(huán)境，使用氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的混合物作為原料，使用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱混合物，收集得到白色棉絮狀的氧化鋅納米帶，具體包括以下步驟(1)以氧化鋅粉末和活性炭為原料，氧化鋅粉末和活性炭的質(zhì)量比為4 1，保證活性炭適當(dāng)過量，將其混合均勻；(2)將混合原料置于中空石墨管中，中空石墨管的規(guī)格為外徑30毫米，內(nèi)徑M毫米，長度12厘米，一端封閉，另一端開口，將中空石墨管置于水平石英管中，并且置于高頻設(shè)備的作用范圍內(nèi)；(3)開啟高頻設(shè)備的冷卻水及加熱電源，石墨管內(nèi)的溫度在1分鐘的時間內(nèi)升溫至1400攝氏度，石英管中出現(xiàn)大量白色煙霧，并在石英管內(nèi)壁上沉積，在加熱過程中需持續(xù)鼓入空氣；(4)繼續(xù)加熱4分鐘，直至管內(nèi)煙霧消失，關(guān)閉加熱電源；
(5)持續(xù)通入空氣，自然冷卻至室溫，在石墨管管內(nèi)和的管口周圍可以收集到的白色棉絮狀物質(zhì)即為氧化鋅納米帶，因為過量而殘留的碳質(zhì)材料，以及在非最優(yōu)生長區(qū)域沉積的氧化鋅均可回收，重新混合研磨作為反應(yīng)物。實施例4—種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，使用空氣作為氣氛環(huán)境，使用氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的混合物作為原料，使用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱混合物，收集得到白色棉絮狀的氧化鋅納米帶，具體包括以下步驟(1)以氧化鋅粉末和活性炭為原料，氧化鋅粉末和活性炭的質(zhì)量比為7 1，保證活性炭適當(dāng)過量，將其混合均勻；(2)將混合原料置于中空石墨管中，中空石墨管的規(guī)格為外徑30毫米，內(nèi)徑M毫米，長度12厘米，一端封閉，另一端開口，將中空石墨管置于水平石英管中，并且置于高頻設(shè)備的作用范圍內(nèi)；(3)開啟高頻設(shè)備的冷卻水及加熱電源，石墨管內(nèi)的溫度在1分鐘的時間內(nèi)升溫至1400攝氏度，石英管中出現(xiàn)大量白色煙霧，并在石英管內(nèi)壁上沉積，在加熱過程中需持續(xù)鼓入空氣；(4)繼續(xù)加熱4分鐘，直至管內(nèi)煙霧消失，關(guān)閉加熱電源；(5)持續(xù)通入空氣，自然冷卻至室溫，在石墨管管內(nèi)和的管口周圍可以收集到的白色棉絮狀物質(zhì)即為氧化鋅納米帶，因為過量而殘留的碳質(zhì)材料，以及在非最優(yōu)生長區(qū)域沉積的氧化鋅均可回收，重新混合研磨作為反應(yīng)物。
權(quán)利要求
1.一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，該方法僅使用空氣作為氣氛環(huán)境，使用氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的混合物作為原料，使用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱混合物，收集得到白色棉絮狀的氧化鋅納米帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟(1)以氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料為原料，將氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末按比例混合均勻；(2)將混合原料置于中空石墨管中，將石墨管置于水平石英管中，并且置于高頻設(shè)備的作用范圍內(nèi)；(3)開啟高頻設(shè)備的冷卻水及加熱電源，石墨管內(nèi)溫度迅速上升，石英管中出現(xiàn)大量白色煙霧，并在石英管內(nèi)壁上沉積，在加熱過程中需持續(xù)鼓入空氣；(4)繼續(xù)加熱，直至管內(nèi)煙霧消失，關(guān)閉加熱電源；(5)持續(xù)通入空氣，自然冷卻至室溫，在石墨管管內(nèi)和的管口周圍可以收集到的白色棉絮狀物質(zhì)即為氧化鋅納米帶。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，步驟(1)中所述的碳質(zhì)材料為石墨粉、焦炭或活性炭。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，步驟(1)中所述的氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的質(zhì)量比為7 1 1 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，步驟⑴中所述的氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末的質(zhì)量比優(yōu)選3 1 4 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，步驟⑵中所述的中空石墨管的規(guī)格為外徑30毫米，內(nèi)徑M毫米，長度12厘米，一端封閉，另一端開口。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，步驟⑶中石墨管內(nèi)溫度在少于2分鐘的時間內(nèi)升溫至1200攝氏度以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，步驟中繼續(xù)加熱的時間為2-4分鐘，視原料多少而定。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料的蒸發(fā)和氧化鋅納米帶的沉積在同一根石英管中進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，其特征在于，過量的碳質(zhì)材料及在非最優(yōu)生長區(qū)域沉積的氧化鋅均可回收，重新混合研磨作為反應(yīng)物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空氣氣氛下快速制備氧化鋅納米帶的方法，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，工藝步驟如下將氧化鋅粉末和碳質(zhì)材料粉末以適當(dāng)比例研磨混合，加熱混合物，利用碳熱還原反應(yīng)將鋅還原出來，并在適當(dāng)區(qū)域與氧氣結(jié)合生成納米帶。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明直接使用空氣作為氣氛環(huán)境，減少了制備工序，簡化了氣路系統(tǒng)，使用高頻感應(yīng)爐作為加熱設(shè)備，能使原料在2分鐘內(nèi)升到所需溫度，從投料開始到生長結(jié)束僅需5分鐘左右，減少了制備時間。
文檔編號C01G9/03GK102432060SQ201110301110
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者張亞非, 李海蓉, 楊志, 錢炳建, 魏浩 申請人:上海交通大學(xué)