本發(fā)明屬于不銹鋼表面納米棒陣列技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列的制備方法。

背景技術(shù)：

氧化鋅作為半導(dǎo)體材料的研究與制備由來(lái)已久，隨著納米材料科學(xué)的發(fā)展，ZnO納米陣列的研究掀起了新的熱潮。ZnO納米材料在電致發(fā)光、太陽(yáng)能電池、光催化和傳感器等領(lǐng)域均有具有重要應(yīng)用。然而，ZnO納米材料的制備和應(yīng)用也存在一些問(wèn)題，需要適合工業(yè)生產(chǎn)的制備工藝以及合適的襯底材料以適應(yīng)惡劣的環(huán)境。不銹鋼材料具有優(yōu)越的耐腐蝕性、耐磨性和強(qiáng)韌性，能適應(yīng)較為惡劣的污染環(huán)境，同時(shí)，具有良好的易加工性、穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有利于提高ZnO納米材料的光催化效率。目前，制備氧化鋅薄膜的方法有金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、分子束外延、脈沖激光沉積、電化學(xué)沉積等，這些方法都存在各自的缺點(diǎn)，如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、分子束外延、脈沖激光沉積等方法所需設(shè)備昂貴、成本高，對(duì)基材要求苛刻；如電化學(xué)沉積法所需生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在兩個(gè)小時(shí)以上，所得納米結(jié)構(gòu)取向性差。

微波水熱法微波可通過(guò)被加熱物質(zhì)對(duì)微波的介質(zhì)損耗而實(shí)現(xiàn)體相的“穿透式”加熱，進(jìn)而使得被加熱物質(zhì)在很短的時(shí)間(甚至是瞬間)即可達(dá)到數(shù)百甚至數(shù)千攝氏度的高溫。因此，微波加熱表現(xiàn)出加熱效率高、沒(méi)有熱慣性、節(jié)能和快速等優(yōu)點(diǎn)，可輕易的實(shí)現(xiàn)快速升溫，或高頻次的規(guī)?；a(chǎn)，同時(shí)微波過(guò)程可以迫使微波場(chǎng)中的物質(zhì)按照微波的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使納米材料趨向有序化，定向性好。但是，這種有序化定向生長(zhǎng)的前提是將基材表面進(jìn)行鋪晶種膜處理，利用晶種快速成核促使納米材料結(jié)晶生長(zhǎng)。鋪晶種膜處理是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)的過(guò)程，大大延長(zhǎng)了納米材料制備過(guò)程，不利于工業(yè)化推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服已有技術(shù)中缺陷，目的是提供一種簡(jiǎn)單有效、環(huán)境友好和成本低廉的不銹鋼表面制備氧化鋅納米棒陣列的制備方法。用該方法制備的不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列的結(jié)構(gòu)規(guī)整有序、光催化和光電化學(xué)性能優(yōu)良、與基材結(jié)合牢固、耐腐蝕性強(qiáng)和硬度高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：先將不銹鋼先后在無(wú)水乙醇和蒸餾水中超聲清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波爐輻照1～5次，每次輻照的時(shí)間為0.5～10min，每次輻照的間隔時(shí)間為5～10s，即得不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列。

所述混合溶液為鋅離子溶液、氨離子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：鋅離子溶液濃度為0.001～0.1mol/L，氨離子溶液的濃度為0.001～0.1mol/L，氧化石墨烯的濃度為0.01～2g/L；所述混合溶液的pH值為8～10。

所述鋅離子溶液為硫酸鋅溶液、硝酸鋅溶液和氯化鋅溶液中的一種。

所述氨離子溶液為六亞甲基四胺溶液、氨水和尿素溶液中的一種。

所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的尺寸為1nm～10μm，層數(shù)為1～30層。

所述微波爐為普通商用微波爐、或?yàn)楣I(yè)用微波爐，所述微波爐的輸出功率為50～500W。

由于采用上述方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明的制備過(guò)程所需時(shí)間短，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，效率高；所需的儀器設(shè)備投資少；所用原料價(jià)格低廉，利用率高，沒(méi)有環(huán)境污染，適于批量生產(chǎn)。

2)本發(fā)明采用的微波水熱法屬于非線性過(guò)程，可對(duì)大面積和形狀復(fù)雜的不銹鋼制品進(jìn)行納米化處理。

3)本發(fā)明的工藝參數(shù)可精確控制，通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、輻照強(qiáng)度和溶液濃度，能調(diào)整ZnO納米棒陣列的形貌、組成和微觀結(jié)構(gòu)，定向性好，重復(fù)性好。

4)本發(fā)明制得的不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列基于氧化石墨烯膜層，與不銹鋼基材結(jié)合力強(qiáng)，且附著均勻牢固，無(wú)脫落現(xiàn)象，耐腐蝕性強(qiáng)，硬度高。

5)本發(fā)明制得的不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列，在模擬太陽(yáng)光輻照下(100mW·cm^-2)的光電流密度為1×10^-4～3×10^-4A·cm^-2，而普通方法制得的ZnO納米棒陣列的光電流密度為1×10^-6～2×10^-5A·cm^-2；對(duì)羅丹明B的光催化降解率達(dá)到90％(輻照60min)以上，而普通方法制得的ZnO納米棒陣列的降解率為57％。結(jié)果表明，制得的不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列具有優(yōu)良的光催化和光電化學(xué)性能。

因此，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、快速有效、環(huán)境友好和成本低廉；所制備的不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列的光催化和光電化學(xué)性能優(yōu)良，納米結(jié)構(gòu)的形貌和微觀結(jié)構(gòu)可控、與基材結(jié)合牢固、耐腐蝕性強(qiáng)和硬度高。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具有實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并非對(duì)其保護(hù)范圍的限制。

為避免重復(fù)，先將本具體實(shí)施方式所涉及的技術(shù)參數(shù)統(tǒng)一描述如下：

所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的尺寸為1nm～10μm，層數(shù)為1～30層。

實(shí)施例1

一種不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列的制備方法。先將不銹鋼先后在無(wú)水乙醇和蒸餾水中超聲清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波爐輻照1～2次，每次輻照的時(shí)間為0.5～1min，每次輻照的間隔時(shí)間為5～10s，即得不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列。

所述混合溶液為鋅離子溶液、氨離子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：鋅離子溶液濃度為0.001～0.005mol/L，氨離子溶液的濃度為0.001～0.005mol/L，氧化石墨烯的濃度為0.01～0.05g/L；所述混合溶液的pH值為8～10。

所述鋅離子溶液為硝酸鋅溶液。

所述氨離子溶液為氨水。

所述微波爐為工業(yè)用微波爐，所述微波爐的輸出功率為400～500W。

實(shí)施例2

一種不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列的制備方法。先將不銹鋼先后在無(wú)水乙醇和蒸餾水中超聲清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波爐輻照2～3次，每次輻照的時(shí)間為1～3min，每次輻照的間隔時(shí)間為5～10s，即得不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列。

所述混合溶液為鋅離子溶液、氨離子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：鋅離子溶液濃度為0.005～0.01mol/L，氨離子溶液的濃度為0.005～0.01mol/L，氧化石墨烯的濃度為0.05～0.1g/L；所述混合溶液的pH值為8～10。

所述鋅離子溶液為氯化鋅溶液。

所述氨離子溶液為六亞甲基四胺溶液。

所述微波爐為普通商用微波爐，所述微波爐的輸出功率為200～400W。

實(shí)施例3

一種不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列的制備方法。先將不銹鋼先后在無(wú)水乙醇和蒸餾水中超聲清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波爐輻照3～4次，每次輻照的時(shí)間為3～7min，每次輻照的間隔時(shí)間為5～10s，即得不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列。

所述混合溶液為鋅離子溶液、氨離子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：鋅離子溶液濃度為0.01～0.05mol/L，氨離子溶液的濃度為0.01～0.05mol/L，氧化石墨烯的濃度為0.1～1g/L；所述混合溶液的pH值為8～10。

所述鋅離子溶液為硫酸鋅溶液。

所述氨離子溶液為尿素溶液。

所述微波爐為普通商用微波爐，所述微波爐的輸出功率為100～200W。

實(shí)施例4

一種不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列的制備方法。先將不銹鋼先后在無(wú)水乙醇和蒸餾水中超聲清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波爐輻照4～5次，每次輻照的時(shí)間為7～10min，每次輻照的間隔時(shí)間為5～10s，即得不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列。

所述混合溶液為鋅離子溶液、氨離子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：鋅離子溶液濃度為0.05～0.1mol/L，氨離子溶液的濃度為0.05～0.1mol/L，氧化石墨烯的濃度為1～2g/L；所述混合溶液的pH值為8～10。

所述鋅離子溶液為硝酸鋅溶液。

所述氨離子溶液為氨水。

所述微波爐為普通商用微波爐，所述微波爐的輸出功率為50～100W。

本具體實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本具體實(shí)施方式的制備過(guò)程所需時(shí)間短，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，效率高；所需的儀器設(shè)備投資少；所用原料價(jià)格低廉，利用率高，沒(méi)有環(huán)境污染，適于批量生產(chǎn)。

2)本具體實(shí)施方式采用的微波水熱法屬于非線性過(guò)程，可對(duì)大面積和形狀復(fù)雜的不銹鋼制品進(jìn)行納米化處理。

3)本具體實(shí)施方式的工藝參數(shù)可精確控制，通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、輻照強(qiáng)度和溶液濃度，能調(diào)整ZnO納米棒陣列的形貌、組成和微觀結(jié)構(gòu)，定向性好，重復(fù)性好。

4)本具體實(shí)施方式制得的不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列基于氧化石墨烯膜層，與不銹鋼基材結(jié)合力強(qiáng)，且附著均勻牢固，無(wú)脫落現(xiàn)象，耐腐蝕性強(qiáng)，硬度高。

5)本具體實(shí)施方式制得的不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列，在模擬太陽(yáng)光輻照下(100mW·cm^-2)的光電流密度為1×10^-4～3×10^-4A·cm^-2，而普通方法制得的ZnO納米棒陣列的光電流密度為1×10^-6～2×10^-5A·cm^-2；對(duì)羅丹明B的光催化降解率達(dá)到90％(輻照60min)以上，而普通方法制得的ZnO納米棒陣列的降解率為57％。結(jié)果表明，制得的不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列具有優(yōu)良的光催化和光電化學(xué)性能。

因此，本具體實(shí)施方式工藝簡(jiǎn)單、快速有效、環(huán)境友好和成本低廉；所制備的不銹鋼表面氧化鋅納米棒陣列的光催化和光電化學(xué)性能優(yōu)良，納米結(jié)構(gòu)的形貌和微觀結(jié)構(gòu)可控、與基材結(jié)合牢固、耐腐蝕性強(qiáng)和硬度高。