一種碳包覆鐵摻雜氧化鋅及其快速合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新材料、新能源及半導體領(lǐng)域，特別涉及一種碳包覆鐵摻雜氧化鋅(ZnO:Fe)及其快速合成方法，碳包覆鐵摻雜氧化鋅在光催化、鋰離子電池、太陽能電池及稀磁半導體器件等多個領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋅(ZnO)具有優(yōu)異的光電磁性能和催化性能，成為無機材料領(lǐng)域中的研宄熱點。ZnO是一種II 一VI族寬帶隙半導體材料，室溫時帶寬可達3.37eV，有很大的激子束縛能(60mev)，具有優(yōu)良的化學性質(zhì)、熱穩(wěn)定性、良好的發(fā)光和光電轉(zhuǎn)換等性能，使得其在眾多領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用，可以用于發(fā)光材料、光電轉(zhuǎn)換材料、涂料及日用化工材料。近年來，ZnO在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，例如ZnO可以用于高效光催化降解污染物、太陽能電池關(guān)鍵材料、白光發(fā)光二極管材料及壓電轉(zhuǎn)換機械能等。
[0003]稀磁半導體可以將磁性的效能與半導體的功能相結(jié)合，在高密度非易失性存儲器、磁光感應(yīng)器、自選量子計算等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。此外，稀磁半導體具有較高的自旋注入效率，為自旋場效應(yīng)晶體管、自選發(fā)光二極管、自旋閥等新型自旋電子器件提供了理想的材料支撐，已經(jīng)成為材料領(lǐng)域的研宄熱點。ZnO基稀磁半導體不僅具有半導體的光電特性，而且具有新穎的磁電和磁光特性，已經(jīng)成為新功能材料領(lǐng)域的研宄熱點。其中，摻雜鐵的氧化鋅(ZnO:Fe)近年來得到了廣泛的研宄。
[0004]目前制備ZnO材料的方法多種多樣。單就ZnO粉末的制備方法就包括固相法、液相法和氣相法三大類。近年來，液相方法日益引起了廣泛的關(guān)注和迅速的發(fā)展，例如溶膠-凝膠法、沉淀法、水熱法、噴霧熱解法等。然而這些方法通常需要昂貴的儀器、嚴格的實驗條件、和/或者較長的反應(yīng)時間。因此，尋找一種低成本、快速、高效的制備技術(shù)，對于ZnO材料在各種領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用是極為重要和迫切的。
[0005]近年來發(fā)展的液相燃燒合成法，具有能效高、合成產(chǎn)物粒徑小、可快速制備納米粉體等優(yōu)點，引起了人們的極大關(guān)注。用液相燃燒法來合成納米粉體的研宄報道有許多。例如，公開號為CN102502779A的中國發(fā)明專利公開了一種載銀氧化鋅納米復(fù)合粉體的快速制備方法:以可溶性鋅鹽、銀鹽、尿素為主要原料，檸檬酸為助劑，混合研磨至漿狀，在600?900°C的溫度條件下煅燒30s?2min，待燃燒過程完畢后收集燃燒產(chǎn)物，即得載銀氧化鋅納米復(fù)合粉體。公開號為CN101172641B的中國發(fā)明專利公開了一種膚色納米氧化鋅的快速制備方法:以可溶性鋅鹽為主要原料，以富氮銨鹽為主要燃料，將可溶性鋅鹽、富氮銨鹽以及少量助燃劑按一定比例混合成膏狀物，將混合膏狀物放入預(yù)先加熱到600?900°C的容器中，待燃燒過程完畢后收集燃燒產(chǎn)物即得絮狀膚色納米氧化鋅粉體。公開號為CN102180513B的中國發(fā)明專利公開了一種六棱錐結(jié)構(gòu)氧化鋅的低溫燃燒合成制備方法:以硝酸鋅為鋅源，加入乙酸銨和硝酸銨為反應(yīng)輔助原料，加去離子水研磨成膠態(tài)物質(zhì)，用超聲波處理器超聲分散后放入550?650°C的馬弗爐中燃燒合成，研磨后在400?700°C退火3小時，即得六棱錐結(jié)構(gòu)氧化鋅。
[0006]由上述發(fā)明專利可以看出，雖然燃燒法可以降低了結(jié)晶溫度，但目前的燃燒法還是多以高溫(高于300°C)引燃前驅(qū)體燃燒為主；如果低溫引燃，通常需要高溫退火(高于300°C)o這與人們期望的低溫燃燒法還有一定的距離。而實質(zhì)的低溫燃燒對于工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的意義:不僅設(shè)備簡單，而且成本也大大降低。另外，目前黑色ZnO的單步合成還鮮有報道。因此，發(fā)展新的低溫液相技術(shù)直接合成黑色ZnO多功能材料具有極強重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種碳包覆鐵摻雜氧化鋅(ZnO:Fe)及其空氣中低溫燃燒制備方法，實現(xiàn)ZnO:Fe的快速高效制備，更易于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。本發(fā)明的創(chuàng)新點主要在于:1.發(fā)展了新的低溫燃燒方法單步合成高度結(jié)晶的Zn0:Fe;2.合成的ZnO:Fe呈現(xiàn)黑色，這與通常的ZnO (多為白色)有根本區(qū)別。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案，具體包括以下步驟:
(I)稱取可溶性的鋅鹽、鐵鹽、有機燃料及燃燒助劑，配制成水溶液，攪拌溶解至透明溶液。
[0009]( 2)將溶液加熱到50-100 °C，水分不斷蒸干至粘稠狀的凝膠狀態(tài)。
[0010](3)將凝膠加熱到180-290 °C，凝膠發(fā)生自蔓延燃燒，得到黑色的疏松粉末。
[0011](4)將所得粉末加入到溶劑中清洗干燥，即得高純目標材料。
[0012]本發(fā)明所述制備方法的步驟(I)中，所述的可溶性的鋅鹽為硝酸鋅、氯化鋅、硫酸鋅或乙酸鋅中的一種或兩種以上。
[0013]本發(fā)明所述制備方法的步驟(I)中，所述的所述的可溶性的鐵鹽為硝酸鐵、氯化鐵、硫酸鐵、硫酸亞鐵、氯化亞鐵、或硫酸高鐵銨中的一種或兩種以上。
[0014]本發(fā)明所述制備方法的步驟(I)中，所述的有機燃料為檸檬酸、甘氨酸或尿素中的一種或兩種以上，所加有機燃料的摩爾數(shù)為Zn和Fe離子摩爾數(shù)的0.4-0.9倍。
[0015]本發(fā)明所述制備方法的步驟(I)中，所述的燃燒助劑為硝酸銨，所加硝酸按的摩爾數(shù)為Zn和Fe離子摩爾數(shù)的0.01_1倍。
[0016]本發(fā)明所述制備方法的步驟(3)中，所述的凝膠也可通過明火或微波引燃，再發(fā)生自蔓延燃燒。
[0017]本發(fā)明所述制備方法的步驟(4)中，所述的清洗溶劑為去離子水、乙醇、丙醇、丙酮等的一種或兩種以上。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明工藝簡單容易操作，原料廉價易得，所制備的ZnO:Co結(jié)晶質(zhì)量高，并且呈現(xiàn)黑色，具有很強的吸光能力，特別易于吸收紅外光，有望在高效光催化、光探測、太陽能電池等領(lǐng)域應(yīng)用；而且黑色的碳增強了其導電能力，將在鋰離子電池、超級電容器等器件中得到應(yīng)用。通過本發(fā)明的工藝可以避免通常的多步復(fù)雜工藝、工藝周期長或昂貴設(shè)備等，成