[發明專利]一種片層狀大孔?介孔ZnO納米材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201610043750.6
• 申請日: 2016-01-22
• 公開（公告）號: CN105753037B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 李昱;何光富;黃華文;劉婧;吳旻;陳麗華;王洪恩;蘇寶連
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C01G9/02
• 分類號: C01G9/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發明屬于無機納米功能材料領域，具體涉及一種片層狀三維大孔-介孔ZnO納米材料及其制備方法。

背景技術

近十幾年以來，環境的污染問題越發嚴重，已成為了目前急需解決的難題，其中包括水污染、空氣污染、土壤污染等。為了解決這些問題，科研工作者的做了大量的研究。ZnO作為一種ⅡB-ⅥA族的半導體化合物，其禁帶寬度為3.37eV，且擁有較高的結合能(60meV)，被公認為為一種很有潛力的半導體材料。目前在光催化，太陽能電池，納米發電機，生物傳感器和氣體傳感器等領域有了較多的研究以及應用。

根據文獻報道，已通過水熱法、化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法、模板法等制備出氧化鋅納米顆粒、納米線、納米球、納米帶、三維孔狀等多種形貌的氧化鋅納米結構。在不同形貌ZnO納米材料中，三維多孔結構由于具有微結構均勻、孔尺寸方便可控、比表面積大孔隙率高等一系列特點，不僅有利于物質的傳輸，其較高的比表面積還有利于提供更多的反應活性位點。因而，三維多孔結構的ZnO納米材料在諸多應用領域表現出優異的性能，所以尋求一種合成步驟簡單、結構均一的孔狀ZnO納米結構的具有很重要的現實意義。

鑒于上述三維孔狀納米材料的優勢，已有大量多孔納米結構的氧化鋅合成制備的相關報道。然而，盡管多孔氧化鋅的合成制備技術已經趨于成熟，但孔徑可控的三維多孔氧化鋅粉體材料的合成仍是一個技術難題。如專利CN103318941A中所合成的多孔ZnO三維超結構是納米片堆積的孔狀氧化鋅納米結構，尺寸不均一，且由于是堆積形成的孔，存在孔徑不可控的問題；專利CN102583509B中合成的珊瑚狀大孔-介孔結構氧化鋅材料有明顯的大孔-介孔結構，但是孔徑不一，限制了對孔徑在大孔-介孔ZnO納米材料的影響的研究。到目前為止，孔徑可控的三維大孔-介孔ZnO結構的合成大多數都是薄膜形態的，粉體形態的孔徑可控的三維大孔-介孔ZnO結構的制備合成還鮮有報道。鑒于我們之前所報道的工作[Huang H W,Liu J,He G,et al.RSC Advances,2015,5(123):101910-101916.]，由于所制備的大孔介孔氧化鋅是大塊團聚狀態的，處于塊狀內部的ZnO利用率低，一定程度上影響了材料的性能，基于上述情況，我們提出合成孔徑可控的片層狀三維多孔氧化鋅粉體材料，使材料的應用率提高，并應用于光催化和氣敏傳感器領域。

發明內容

本發明的目的是提供一種片層狀三維大孔-介孔ZnO納米材料及其制備方法，所述片層狀三維大孔-介孔ZnO納米材料呈分層多孔片狀結構、大孔孔徑可控、結晶性好、純度高，可克服ZnO納米顆粒間團聚而導致材料性能減弱的難題；層狀結構相對于大塊堆積結構，其內部材料的利用率更高；且涉及的制備方法簡單、原料廉價易得，適合推廣應用。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種片層狀三維大孔-介孔ZnO納米材料，所述三維大孔-介孔ZnO納米材料呈分層多孔片層狀結構，其晶型為纖鋅礦型，其片層厚為10～20μm，大孔孔徑為300～600nm，介孔孔徑為15～30nm。

上述一種片層狀三維大孔-介孔ZnO納米材料的制備方法，它以聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸鉀小球為模板、ZnO納米晶粒為填充物，分別配制聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸鉀模板小球溶液和ZnO納米晶粒溶液，然后交替進行層層抽濾處理，再將抽濾后所得產物進行干燥和煅燒，制備得到三維大孔-介孔ZnO納米材料；其中所述聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸鉀模板小球溶液的濃度為0.2～0.8wt％，ZnO納米晶粒溶液的濃度為0.01～0.1g/mL。

按上述方案，所述層層抽濾處理步驟為：首先將聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸鉀模板小球溶液置于平底漏斗中進行抽濾，得固體產物I；再加入ZnO納米晶溶液繼續進行抽濾，得固體產物II，然后依次重復所述兩個抽濾步驟4～8次；其中分步加入的聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸鉀模板小球溶液和ZnO納米晶溶液的體積比為(1～3):1；抽濾過程速度控制在5～15ml/min。

按上述方案，所述聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸鉀模板小球的粒徑為300～600nm，ZnO納米晶粒的尺寸為20～40nm。

按上述方案，所述干燥溫度為40～80℃。

按上述方案，所述煅燒溫度為450～600℃，煅燒時間為4～8h。煅燒的主要目的是除去高分子模板，氧化鋅在450～600℃不會發生晶型轉變，保持纖鋅礦結構。