CN102485960A - 一种树枝状氧化锌多级结构纳米材料及其电化学制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种树枝状氧化锌多级结构纳米材料及其电化学制备方法。该树枝状氧化锌多级结构纳米材料是由小于150纳米的氧化锌颗粒自组装而成，长度可达20微米。电化学制备方法是将可溶性锌盐以低浓度直接溶于去离子水中，将配好的溶液置于60℃-80℃的恒温水浴中。选用经过超声清洗的各种导电基底作为阴极，等大小的石墨或铂片作为阳极。阴极、阳极在溶液中浸没的深度相同，同时在两电极之间提供一定的恒定电流。则可在导电基底上得到一种树枝状氧化锌纳米材料。这种方法所用的设备工艺简单，成本极低，环境友好，便于工业化生产。所制备的树枝状氧化锌纳米材料在光电子器件、传感器、光催化、太阳能电池等领域有着潜在应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种树枝状氧化锌纳米材料及其电化学制备方法，属于纳米材料的制备领域。具体涉及在各种导电表面直接电沉积制备一种由氧化锌纳米颗粒构成的树枝状多级结构材料，此方法产量高、成本极低，便于工业化推广。
背景技术
氧化锌是一种II-VI族宽禁带的半导体材料，晶体结构为纤锌矿(Wurtzite)六方晶系，禁带宽度为3.37eV，室温下具有较高的激子束缚能(60meV)和较低的电子诱生缺陷。因此，氧化锌在纳米尺度的电子和光电设备中有着潜在的应用。现今已制备出氧化锌“柱”、“线”、“带”、“管”、“梳”等形貌的纳米结构材料。但树枝状氧化锌少有文献报道，文献1，N.Zhang；Ke Yu；Q.Li；Z.Q.Zhu；Q.Wan，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，2008，103，104305.用化学气相沉积所制备的氧化锌树枝状结构材料是由氧化锌纳米线构成，需要较高的温度。文献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.所报道的用电化学方法制备的树枝状氧化锌也是由完整的晶枝构成。而且产量较少，所用的时间较长。我们发展的用电化学方法制备的树枝状氧化锌多级结构材料是由直径小于150纳米的氧化锌颗粒自组装而成，在国内外均未见报道。因此本发明提供了一种简单、有效、迅速、大量的制备树枝状氧化锌多级结构材料的方法，所制备的氧化锌纳米材料在光电子器件、传感器敏感原件、光催化、太阳能电池等领域有着潜在应用。
发明内容
本发明采用一种工艺简单、可控、低成本的电化学方法，直接在FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、锌片、钢片上制备树枝状氧化锌多级结构纳米材料。
其具体工艺步骤为：
(1)分别准备FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、锌片、钢片基底，依次用去离子水、洗涤剂、丙酮、无水乙醇清洗其表面。
(2)取0.005-0.0005摩尔的可溶性锌盐溶于去离子水中机械搅拌10-20分钟，得到反应溶液。
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于60℃-80℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到的导电基底作为阴极，用等大小的石墨或铂片作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没一定深度，同时在两电极之间提供1-10mA的恒定电流，反应时间为1-10分钟。
(4)反应结束后，将阴极导电基底取出，用去离子水洗涤，干燥。在基底上可得到树枝状氧化锌多级结构纳米材料。
附图说明
图1是树枝状氧化锌多级结构纳米材料的扫描电镜照片。
图2是树枝状氧化锌多级结构纳米材料的X射线衍射谱。
具体实施方式
本发明的实施例仅用于进一步阐述本发明，而不限制本发明的范围。对于本领域的技术人员对本发明的内容所进行的替代、改动或变更，这些等价形式同样落入本申请所限定的范围内。
实施例1
(1)将FTO导电玻璃切割成2cm×1cm大小，用去离子水清洁表面，分别在洗涤剂、丙酮、无水乙醇中超声清洗10分钟，除去表面的有机物，最后再用去离子水超声清洗；
(2)取0.001摩尔硝酸锌溶于去离子水中，机械搅拌10-20分钟，得到反应溶液；
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于65℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到FTO导电玻璃作为阴极，用等大小的石墨作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没1厘米的深度，同时在两电极之间用电化学工作站提供5mA的恒定电流，反应时间为1分钟；
(4)反应结束，将FTO导电玻璃取出，用去离子水洗涤，在空气中自然干燥，即可得到树枝状氧化锌多级结构材料。
实施例2
(1)将FTO导电玻璃切割成2cm×1cm大小，用去离子水清洁表面，分别在洗涤剂、丙酮、无水乙醇中超声清洗10分钟，除去表面的有机物，最后再用去离子水超声清洗；
(2)取0.001摩尔硝酸锌溶于去离子水中，机械搅拌10-20分钟，得到反应溶液；
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于70℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到的FTO导电玻璃作为阴极，用等大小的石墨作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没1厘米的深度，同时在两电极之间用电化学工作站提供5mA的恒定电流，反应时间为4分钟；
(4)反应结束，将FTO导电玻璃取出，用去离子水洗涤，在空气中自然干燥，即可得到树枝状氧化锌多级结构材料。
实施例3
(1)将钢片切割成2cm×1cm大小，用去离子水清洁表面，分别在洗涤剂、丙酮、无水乙醇中超声清洗10分钟，除去表面的有机物，最后再用去离子水超声清洗；
(2)取0.001摩尔硝酸锌溶于去离子水中，机械搅拌10-20分钟，得到反应溶液；
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于65℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到钢片作为阴极，用等大小的石墨作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没1厘米的深度，同时在两电极之间用电化学工作站提供5mA的恒定电流，反应时间为4分钟；
(4)反应结束，将钢片取出，用去离子水洗涤，在空气中自然干燥，即可得到树枝状氧化锌多级结构材料。
实施例4
(1)将锌片切割成2cm×1cm大小，用去离子水清洁表面，分别在洗涤剂、丙酮、无水乙醇中超声清洗10分钟，除去表面的有机物，最后再用去离子水超声清洗；
(2)取0.001摩尔硝酸锌溶于去离子水中，机械搅拌10-20分钟，得到反应溶液；
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于65℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到锌片作为阴极，用等大小的石墨作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没1厘米的深度，同时在两电极之间用电化学工作站提供5mA的恒定电流，反应时间为4分钟；
(4)反应结束，将锌片取出，用去离子水洗涤，在空气中自然干燥，即可得到树枝状氧化锌多级结构材料。
图1(a)、(b)是用实施例1方法得到的，在FTO导电玻璃上的树枝状氧化锌多级结构纳米材料的低倍、高倍扫描电镜照片，表明此种结构材料产量丰富，由主干和对称的分支构成，从高倍扫描电镜照片可以看出树枝状结构材料是由直径小于150纳米的颗粒自组装而成。图1(c)是用实施例2方法得到的，FTO导电玻璃上的树枝状氧化锌多级结构纳米材料的扫描电镜照片，产物有着完美的分形结构，并且产量丰富。图2(a)是对应的X射线衍射谱，表明FTO导电玻璃上得到的主要是氧化锌并且混有少量的氢氧化锌。图2(a)下图是光滑的FTO导电玻璃的X射线衍射谱作为参考。
图1(d)为在钢片上的树枝状氧化锌多级结构材料的扫描电镜照片，也表明这种树枝状多级结构材料是由小颗粒构成。图2(b)上图是钢片上得到的树枝状氧化锌多级结构材料的X射线衍射谱，表明钢片上的产物主要是氧化锌并且混有少量的氢氧化锌。图2(b)下图是钢片上的产物经过热处理后的X射线衍射谱，其微弱的氢氧化锌的峰消失，并且树枝状的形貌在扫描电镜下观察没有任何改变，证明了这种树枝状的材料就是氧化锌。本发明的关键技术特征在于，在溶液浓度较低时，在阴、阳两电极之间提供的1-10mA的恒定电流，导致阴极较高的负电位(在稳定情况***极电位可以达到-8.5V)，此时树枝状氧化锌的形成包括锌的还原和快速的被氧化这两个过程。
Claims (6)
1.一种树枝状氧化锌多级结构纳米材料，其特征在于：所述树枝状氧化锌多级结构纳米材料是由直径小于150纳米的氧化锌颗粒自组装而成的主干和对称的分支构成，主干的长度可达20微米。
2.一种树枝状氧化锌多级结构纳米材料的电化学制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)准备FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、锌片、钢片导电基底，依次用去离子水、洗涤剂、丙酮、无水乙醇清洗其表面。
(2)取0.0005-0.005摩尔的可溶性锌盐溶于去离子水中，机械搅拌，得到反应溶液。
(3)将步骤(2)中所得到的反应溶液置于60℃-80℃的恒温水浴中，用步骤(1)所得到的导电基底作为阴极，用等大小的石墨或铂片作为阳极；两电极均在反应溶液中浸没一定深度，同时在两电极之间提供1-10mA的恒定电流，反应时间为1-10分钟。
(4)将阴极导电基底取出，用去离子水洗涤，干燥。在基底上可得到树枝状氧化锌多级结构材料。
3.按权力要求2所述的树枝状氧化锌多级结构纳米材料的电化学制备方法，其特征在于：所述的可溶性锌盐包括硝酸锌、氯化锌、醋酸锌。
4.按权力要求2所述的树枝状氧化锌多级结构纳米材料的电化学制备方法，其特征在于：在反应溶液2中可溶性锌盐的浓度为0.0005-0.005摩尔。
5.按权力要求2所述的树枝状氧化锌多级结构纳米材料的电化学制备方法，其关键技术特征在于：在低浓度电解质溶液中的两电极之间施加的1-10mA的恒定电流或由此导致的-5V至-10V的阴极电位。
6.按权力要求2所述的树枝状氧化锌多级结构纳米材料的电化学制备方法，其特征在于电沉积过程中所用的阳极包括石墨与铂片。
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