專利名稱：一種樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料及其電化學(xué)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種樹(shù)枝狀氧化鋅納米材料及其電化學(xué)制備方法，屬于納米材料的制備領(lǐng)域。具體涉及在各種導(dǎo)電表面直接電沉積制備一種由氧化鋅納米顆粒構(gòu)成的樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)材料，此方法產(chǎn)量高、成本極低，便于工業(yè)化推廣。
背景技術(shù)：
氧化鋅是一種II-VI族寬禁帶的半導(dǎo)體材料，晶體結(jié)構(gòu)為纖鋅礦(Wurtzite)六方晶系，禁帶寬度為3. 37eV，室溫下具有較高的激子束縛能(60meV)和較低的電子誘生缺陷。因此，氧化鋅在納米尺度的電子和光電設(shè)備中有著潛在的應(yīng)用。現(xiàn)今已制備出氧化鋅“柱”、“線”、“帶”、“管”、“梳”等形貌的納米結(jié)構(gòu)材料。但樹(shù)枝狀氧化鋅少有文獻(xiàn)報(bào)道， 文獻(xiàn) 1，N. Zhang ；Ke Yu ；Q. Li ；Z. Q. Zhu ；Q. Wan, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 2008,103， 104305.用化學(xué)氣相沉積所制備的氧化鋅樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)材料是由氧化鋅納米線構(gòu)成，需要較高的溫度° 文獻(xiàn)2,Gao-Ren Li ；Xi-Hong Lu ；Dun-Lin Qu ；Chen-Zhong Yao ；Fu-lin Zheng ； Qiong Bu ；Ci-Ren Dawa ；Ye-Xiang Tong, J. Phys. Chem. C, 2007,111. 6678-6683.所報(bào)道的用電化學(xué)方法制備的樹(shù)枝狀氧化鋅也是由完整的晶枝構(gòu)成。而且產(chǎn)量較少，所用的時(shí)間較長(zhǎng)。我們發(fā)展的用電化學(xué)方法制備的樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)材料是由直徑小于150納米的氧化鋅顆粒自組裝而成，在國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)報(bào)道。因此本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單、有效、迅速、大量的制備樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)材料的方法，所制備的氧化鋅納米材料在光電子器件、傳感器敏感原件、光催化、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用一種工藝簡(jiǎn)單、可控、低成本的電化學(xué)方法，直接在FTO導(dǎo)電玻璃、ITO 導(dǎo)電玻璃、鋅片、鋼片上制備樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料。其具體工藝步驟為(1)分別準(zhǔn)備FTO導(dǎo)電玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃、鋅片、鋼片基底，依次用去離子水、洗滌劑、丙酮、無(wú)水乙醇清洗其表面。(2)取0. 005-0. 0005摩爾的可溶性鋅鹽溶于去離子水中機(jī)械攪拌10_20分鐘，得
到反應(yīng)溶液。(3)將步驟⑵中所得到的反應(yīng)溶液置于60°C -80°C的恒溫水浴中，用步驟(1)所得到的導(dǎo)電基底作為陰極，用等大小的石墨或鉬片作為陽(yáng)極；兩電極均在反應(yīng)溶液中浸沒(méi)一定深度，同時(shí)在兩電極之間提供I-IOmA的恒定電流，反應(yīng)時(shí)間為1-10分鐘。(4)反應(yīng)結(jié)束后，將陰極導(dǎo)電基底取出，用去離子水洗滌，干燥。在基底上可得到樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料。


圖1是樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的掃描電鏡照片。
圖2是樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的X射線衍射譜。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例僅用于進(jìn)一步闡述本發(fā)明，而不限制本發(fā)明的范圍。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容所進(jìn)行的替代、改動(dòng)或變更，這些等價(jià)形式同樣落入本申請(qǐng)所限定的范圍內(nèi)。實(shí)施例1(1)將FTO導(dǎo)電玻璃切割成2cmX Icm大小，用去離子水清潔表面，分別在洗滌劑、 丙酮、無(wú)水乙醇中超聲清洗10分鐘，除去表面的有機(jī)物，最后再用去離子水超聲清洗；(2)取0. 001摩爾硝酸鋅溶于去離子水中，機(jī)械攪拌10-20分鐘，得到反應(yīng)溶液；(3)將步驟⑵中所得到的反應(yīng)溶液置于65°C的恒溫水浴中，用步驟(1)所得到 FTO導(dǎo)電玻璃作為陰極，用等大小的石墨作為陽(yáng)極；兩電極均在反應(yīng)溶液中浸沒(méi)1厘米的深度，同時(shí)在兩電極之間用電化學(xué)工作站提供5mA的恒定電流，反應(yīng)時(shí)間為1分鐘；(4)反應(yīng)結(jié)束，將FTO導(dǎo)電玻璃取出，用去離子水洗滌，在空氣中自然干燥，即可得到樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)材料。實(shí)施例2(1)將FTO導(dǎo)電玻璃切割成2cmX Icm大小，用去離子水清潔表面，分別在洗滌劑、 丙酮、無(wú)水乙醇中超聲清洗10分鐘，除去表面的有機(jī)物，最后再用去離子水超聲清洗；(2)取0. 001摩爾硝酸鋅溶于去離子水中，機(jī)械攪拌10-20分鐘，得到反應(yīng)溶液；(3)將步驟O)中所得到的反應(yīng)溶液置于70°C的恒溫水浴中，用步驟(1)所得到的FTO導(dǎo)電玻璃作為陰極，用等大小的石墨作為陽(yáng)極；兩電極均在反應(yīng)溶液中浸沒(méi)1厘米的深度，同時(shí)在兩電極之間用電化學(xué)工作站提供5mA的恒定電流，反應(yīng)時(shí)間為4分鐘； (4)反應(yīng)結(jié)束，將FTO導(dǎo)電玻璃取出，用去離子水洗滌，在空氣中自然干燥，即可得到樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)材料。實(shí)施例3(1)將鋼片切割成2cmX Icm大小，用去離子水清潔表面，分別在洗滌劑、丙酮、無(wú)水乙醇中超聲清洗10分鐘，除去表面的有機(jī)物，最后再用去離子水超聲清洗；(2)取0. 001摩爾硝酸鋅溶于去離子水中，機(jī)械攪拌10-20分鐘，得到反應(yīng)溶液；(3)將步驟⑵中所得到的反應(yīng)溶液置于65°C的恒溫水浴中，用步驟(1)所得到鋼片作為陰極，用等大小的石墨作為陽(yáng)極；兩電極均在反應(yīng)溶液中浸沒(méi)1厘米的深度，同時(shí)在兩電極之間用電化學(xué)工作站提供5mA的恒定電流，反應(yīng)時(shí)間為4分鐘；(4)反應(yīng)結(jié)束，將鋼片取出，用去離子水洗滌，在空氣中自然干燥，即可得到樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)材料。實(shí)施例4(1)將鋅片切割成2cmX Icm大小，用去離子水清潔表面，分別在洗滌劑、丙酮、無(wú)水乙醇中超聲清洗10分鐘，除去表面的有機(jī)物，最后再用去離子水超聲清洗；(2)取0. 001摩爾硝酸鋅溶于去離子水中，機(jī)械攪拌10-20分鐘，得到反應(yīng)溶液；(3)將步驟O)中所得到的反應(yīng)溶液置于65°C的恒溫水浴中，用步驟(1)所得到鋅片作為陰極，用等大小的石墨作為陽(yáng)極；兩電極均在反應(yīng)溶液中浸沒(méi)1厘米的深度，同時(shí)在兩電極之間用電化學(xué)工作站提供5mA的恒定電流，反應(yīng)時(shí)間為4分鐘；(4)反應(yīng)結(jié)束，將鋅片取出，用去離子水洗滌，在空氣中自然干燥，即可得到樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)材料。圖1 (a)、(b)是用實(shí)施例1方法得到的，在FTO導(dǎo)電玻璃上的樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的低倍、高倍掃描電鏡照片，表明此種結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)量豐富，由主干和對(duì)稱的分支構(gòu)成，從高倍掃描電鏡照片可以看出樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)材料是由直徑小于150納米的顆粒自組裝而成。圖1 (c)是用實(shí)施例2方法得到的，F(xiàn)TO導(dǎo)電玻璃上的樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的掃描電鏡照片，產(chǎn)物有著完美的分形結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)量豐富。圖2(a)是對(duì)應(yīng)的X射線衍射譜，表明FTO導(dǎo)電玻璃上得到的主要是氧化鋅并且混有少量的氫氧化鋅。圖2(a)下圖是光滑的FTO導(dǎo)電玻璃的X射線衍射譜作為參考。圖1(d)為在鋼片上的樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)材料的掃描電鏡照片，也表明這種樹(shù)枝狀多級(jí)結(jié)構(gòu)材料是由小顆粒構(gòu)成。圖2(b)上圖是鋼片上得到的樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)材料的X射線衍射譜，表明鋼片上的產(chǎn)物主要是氧化鋅并且混有少量的氫氧化鋅。圖 2(b)下圖是鋼片上的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)熱處理后的X射線衍射譜，其微弱的氫氧化鋅的峰消失，并且樹(shù)枝狀的形貌在掃描電鏡下觀察沒(méi)有任何改變，證明了這種樹(shù)枝狀的材料就是氧化鋅。 本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)特征在于，在溶液濃度較低時(shí)，在陰、陽(yáng)兩電極之間提供的I-IOmA的恒定電流，導(dǎo)致陰極較高的負(fù)電位(在穩(wěn)定情況下陰極電位可以達(dá)到-8. 5V)，此時(shí)樹(shù)枝狀氧化鋅的形成包括鋅的還原和快速的被氧化這兩個(gè)過(guò)程。
權(quán)利要求
1.一種樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料，其特征在于所述樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料是由直徑小于150納米的氧化鋅顆粒自組裝而成的主干和對(duì)稱的分支構(gòu)成，主干的長(zhǎng)度可達(dá)20微米。
2.—種樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的電化學(xué)制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)準(zhǔn)備FTO導(dǎo)電玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃、鋅片、鋼片導(dǎo)電基底，依次用去離子水、洗滌齊IJ、 丙酮、無(wú)水乙醇清洗其表面。(2)取0.0005-0. 005摩爾的可溶性鋅鹽溶于去離子水中，機(jī)械攪拌，得到反應(yīng)溶液。(3)將步驟(2)中所得到的反應(yīng)溶液置于60°C-80°C的恒溫水浴中，用步驟⑴所得到的導(dǎo)電基底作為陰極，用等大小的石墨或鉬片作為陽(yáng)極；兩電極均在反應(yīng)溶液中浸沒(méi)一定深度，同時(shí)在兩電極之間提供I-IOmA的恒定電流，反應(yīng)時(shí)間為1-10分鐘。(4)將陰極導(dǎo)電基底取出，用去離子水洗滌，干燥。在基底上可得到樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)材料。
3.按權(quán)力要求2所述的樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的電化學(xué)制備方法，其特征在于所述的可溶性鋅鹽包括硝酸鋅、氯化鋅、醋酸鋅。
4.按權(quán)力要求2所述的樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的電化學(xué)制備方法，其特征在于在反應(yīng)溶液2中可溶性鋅鹽的濃度為0. 0005-0. 005摩爾。
5.按權(quán)力要求2所述的樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的電化學(xué)制備方法，其關(guān)鍵技術(shù)特征在于在低濃度電解質(zhì)溶液中的兩電極之間施加的I-IOmA的恒定電流或由此導(dǎo)致的-5V至-IOV的陰極電位。
6.按權(quán)力要求2所述的樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料的電化學(xué)制備方法，其特征在于電沉積過(guò)程中所用的陽(yáng)極包括石墨與鉬片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料及其電化學(xué)制備方法。該樹(shù)枝狀氧化鋅多級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料是由小于150納米的氧化鋅顆粒自組裝而成，長(zhǎng)度可達(dá)20微米。電化學(xué)制備方法是將可溶性鋅鹽以低濃度直接溶于去離子水中，將配好的溶液置于60℃-80℃的恒溫水浴中。選用經(jīng)過(guò)超聲清洗的各種導(dǎo)電基底作為陰極，等大小的石墨或鉑片作為陽(yáng)極。陰極、陽(yáng)極在溶液中浸沒(méi)的深度相同，同時(shí)在兩電極之間提供一定的恒定電流。則可在導(dǎo)電基底上得到一種樹(shù)枝狀氧化鋅納米材料。這種方法所用的設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，成本極低，環(huán)境友好，便于工業(yè)化生產(chǎn)。所制備的樹(shù)枝狀氧化鋅納米材料在光電子器件、傳感器、光催化、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用。
文檔編號(hào)C25B1/00GK102485960SQ20101056770
公開(kāi)日2012年6月6日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者呂學(xué)明, 楊剛強(qiáng), 程進(jìn), 鄒小平 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)