[發明專利]一種具有三維立體結構的多孔氧化鋅的制備方法

有效

• 申請號: 201610040064.3
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105565366B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 王新震;劉久榮;崔洪芝;田健;宋曉杰;謝想;李健
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: C01G9/02
• 分類號: C01G9/02;B82Y30/00
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司37205
• 代理人: 毛勝昔

技術領域

本發明涉及一種多孔氧化鋅的制備方法，尤其涉及一種具有三維立體結構的多孔氧化鋅的制備方法。

背景技術

氧化鋅是一種典型的N型半導體，由于其優異的物理化學性能，在光電設備、氣敏傳感器、太陽能電池等領域具有廣泛的應用。

作為一種研究較早的氣敏材料，氧化鋅具有良好的熱穩定性和優異的物理化學性能，是目前應用最為廣泛的氣敏材料之一，在環境質量檢測、易燃易爆氣體檢測及窯爐氣氛檢測等方面具有廣泛的應用。但是，由于氣敏傳感器使用環境的復雜性(如溫度、濕度、氣體成分不穩定等)，現有氣敏傳感器的靈敏度、選擇性和響應恢復速率有待進一步提高。

氧化鋅氣敏傳感器屬于表面電阻控制型，其機理通常采用空間電荷理論解釋(Sens.Actuators,B 1991,3(2):147-155)。當氧化鋅氣敏傳感器處于空氣氣氛中時，空氣中的氧分子以物理吸附和化學吸附的方式吸附在氧化鋅的表面，形成吸附氧分子。在氧化鋅表面，吸附狀態的氧分子與半導體導帶中的電子反應生成氧離子。由于氧離子的存在，氧化鋅材料表面形成空間電荷層，同時由于電子的流出，氧化鋅表面形成電子耗盡層，此時氧化鋅氣敏傳感器具有較大的電阻Ra。氧化鋅氣敏傳感器檢測到待測氣體時(以乙醇為例)，氧化鋅表面的空間電荷層中的氧離子與乙醇分子發生氧化還原反應，將乙醇分解為二氧化碳和水，同時將電子返還到氧化鋅導帶中。因此，氧化鋅表面空間電荷層和表面電子耗盡層減少，此時，氧化鋅傳感器具有較小的電阻Rg。在空氣氣氛和在檢測氣體氣氛中氣敏傳感器電阻的比值即為靈敏度(Ra/Rg)。根據氧化鋅氣敏機理可知，氣敏反應發生在材料的表面，材料的比表面積和結構對其氣敏性能有很大的影響。

近年來，三維多孔結構的氧化鋅材料的研究已經成為一個熱點課題，與無孔氧化鋅相比，多孔氧化鋅材料具有較大的比表面積和疏松的結構，一方面可以為氧化鋅表面的氧化還原反應提供更多的反應面積；另一方面疏松的結構可以為氣體的流通提供更多通道。因此，設計和制備具有三維多孔結構的氧化鋅是提高其氣敏性能的一種有效方法。

近年來，由于能夠更好的控制產物的形貌和微觀結構，前驅體分解法成為制備多孔氧化鋅材料的研究熱點。

前驅體分解法一般先采用化學方法合成出碳酸鋅、乙酸鋅、硫化鋅等前驅體，再通過前驅體受熱分解制備出多孔氧化鋅，孔結構由于前驅體分解釋放二氧化碳和水等氣體而產生。由于前驅體在分解過程中整體結構不會發生變化，因此，多孔氧化鋅的形貌與結構決定于前驅體的形貌和結構常用的化學方法如沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法等均可用于制備前驅體，但在上述這些方法中，由于水熱條件下能夠制備出結構新穎、形貌可控的納米材料，水熱法成為目前實驗室最為常用的方法之一。

現有技術中，多孔氧化鋅前驅體的水熱合成過程中，需要在較高的反應溫度下進行(通常為120℃-220℃)；并且，在反應體系中往往使用有機溶劑如乙醇、乙二醇、丁醇等，容易造成環境污染。

發明內容

本發明的目的是，提供一種工藝簡單、綠色環保，產物的質量等級高、比表面積大，內部結構新穎的具有三維結構的多孔氧化鋅的制備方法。

本發明為實現上述目的，所采用的技術方案是，一種具有三維立體結構的多孔氧化鋅的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，按質量比1-3︰1︰1︰2.5-10︰0.9-2.8，分別稱取乙酸鋅、硫酸鉀、甘氨酸、聚乙烯吡咯烷酮和碳酸銨，備用；

第二步，將所取乙酸鋅、硫酸鉀、甘氨酸和聚乙烯吡咯烷酮混合，加入去離子水作為溶劑，攪拌，配成溶液A；

其中，去離子水與聚乙烯吡咯烷酮的質量比為40︰1；

第三步，將所取碳酸銨加去離子水，配制成質量百分比濃度為1-2％的碳酸銨溶液；并將上述碳酸銨溶液加入到上述溶液A中，攪拌均勻，得到混合溶液B；

第四步，將所得混合溶液B傾倒入聚四氟內襯的不銹鋼反應釜中，將反應釜蓋擰緊密封后，置于鼓風干燥箱中，在60℃下，保溫5小時以上，得到含有白色沉淀的固液混合物；

將上述含有白色沉淀的固液混合物離心分離后，得到其中的固相物C；

將所得固相物C分別用去離子水和無水乙醇洗滌三遍，置于烘箱中充分干燥，得到前驅體D；

第五步，將前驅體D置于馬弗爐中，在450℃下煅燒2h后，即得。

優選為，上述乙酸鋅、硫酸鉀、甘氨酸、聚乙烯吡咯烷酮和碳酸銨的質量比為：1︰1︰1︰2.5︰1。

進一步優選，上述碳酸銨溶液的質量百分比濃度為1％。