CN105238349A - 一种Fe3O4-ZnO纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Fe3O4-ZnO纳米复合材料及其制备方法，即在Fe3O4微球上生长ZnO纳米棒，ZnO纳米棒沿Fe3O4微球球面半径方向排列生长，所述的Fe3O4微球的直径为200～500nm,ZnO的长径比为3～12；主要是通过溶剂热制备Fe3O4磁性微球,然后在Fe3O4磁性微球上通过水热工艺生长ZnO单晶纳米棒；水热过程无需任何模板和催化剂，工艺简单，产率高，且成本低廉，适合批量生产；Fe3O4微球作为核直接包覆生长ZnO纳米棒，所制备单晶ZnO纳米棒形态均一，在Fe3O4微球上包覆均匀。

Description

一种Fe3O4-ZnO纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料领域，涉及一种Fe3O4-ZnO纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
ZnO与Fe3O4是两种重要的功能材料。ZnO是直接带隙的宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,具有优良的物理和化学性质,可广泛应用于太阳能电池、显示器件和光电器件，以及光催化、锂离子电池负极材料、雷达波吸收材料等。半金属材料Fe3O4是一种重要的磁性纳米材料,在磁记录、磁流体、磁性分离、隐身技术、污水处理、锂离子电池、气敏传感器和生物医药等方面都重要应用。将二者制备成纳米复合材料，ZnO优异的半导体性能与Fe3O4磁性能得以有机融合，必将使它们的应用领域大大拓展，甚至目前，已经有大量的研究工作者致力于研究Fe3O4-ZnO纳米结构并取得相关的成果，如中国专利CN201310133789.3公开了一种Fe3O4/ZnO复合纳米颗粒的制备方法及其应用，该材料磁性强，磁敏感度强，具有优异的荧光性能。尽管已形成复合纳米结构，但其制备的ZnO为纳米颗粒，ZnO包裹在Fe3O4微球表面，没有实现定向生长。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明不仅提供了一种新结构的Fe3O4-ZnO纳米复合材料，同时还提供了一种直接在Fe3O4微球上生长ZnO纳米棒复合材料的方法，方法简单，适于大批量制备。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种Fe3O4-ZnO纳米复合材料，包括Fe3O4微球和生长在Fe3O4微球上的ZnO纳米棒。
具体地，包括单体，所述的单体包括Fe3O4微球和生长在Fe3O4微球上的ZnO纳米棒。
具体地，所述的Fe3O4微球的直径为200～500nm，ZnO纳米棒沿Fe3O4微球球面半径方向排列生长，ZnO纳米棒的长径比为3～20。
更具体地，所述的ZnO纳米棒的直径为30～100nm，ZnO纳米棒的长度为300～600nm。
所述的Fe3O4-ZnO纳米复合材料的方法，其特征在于，包括采用溶剂热法制备Fe3O4微球，再在Fe3O4微球上采用水热法生长ZnO纳米棒。
具体地，所述的溶剂热法制备Fe3O4微球包括：含铁化合物、络合剂及表面活性剂三者混合稀释溶解后在200℃下进行溶剂热反应，反应的产物洗涤至中性后烘干即得Fe3O4微球。
更具体地，所述的含铁化合物为FeCl3，FeCl3稀释溶解后的浓度为0.1～0.3mol/L，所述的表面活性剂为PEG10000，PEG10000稀释溶解后的浓度为0.0001～0.003mol/L，所述的络合剂为CH3COONa，CH3COONa稀释溶解后的浓度为0.5～0.7mol/L。
进一步的，含铁化合物、络合剂及表面活性剂三者混合稀释的溶剂为乙二醇。
另外，所述的在Fe3O4微球上采用水热法生长ZnO纳米棒包括：将Fe3O4微球、含锌化合物、表面活性剂混合稀释溶解后，再往混合溶液中加入强碱作为反应源在90～150℃下保温3～8h进行水热反应，反应的产物洗涤为中性并烘干即得Fe3O4-ZnO纳米复合材料。
同时，Fe3O4微球的浓度为0.01～0.1mol/L，所述的含锌化合物为Zn(CH3COO)2，Zn(CH3COO)2的浓度为0.03～0.5mol/L，所述的强碱为NaOH，NaOH与Zn(CH3COO)2的摩尔比为(NaOH):(Zn(CH3COO)2)＝8～15:1。
本发明的优点为：
(1)本发明制备得到的Fe3O4-ZnO纳米复合材料是在直径为200～500nm的Fe3O4微球表面包覆着ZnO单晶纳米棒，且ZnO单晶纳米棒共球心沿Fe3O4磁性微球半径方向排列，ZnO纳米棒的直径为30～100nm，其长度为300～600nm，其长径比为3～12；从微观结构上看，Fe3O4-ZnO纳米复合物结构具有很大的比表面积，可以用作气敏传感器；从分级结构的物性融合上看，Fe3O4-ZnO纳米复合材料应既对雷达波磁分量具有良好的吸收能力，也对雷达波电分量具有良好的吸收能力，是一种优异的吸波材料；
(2)本发明在制备Fe3O4-ZnO纳米复合材料时，采用水热法在Fe3O4微球表面生长ZnO单晶纳米棒，水热过程中无需任何模板和催化剂，工艺简单，产率高，且成本低廉，适合批量生产；
(3)Fe3O4微球作为核直接包覆生长ZnO纳米棒，所制备单晶ZnO纳米棒形态均一，在Fe3O4微球上包覆均匀。
附图说明
图1为本发明中实施例1的X射线衍射(XRD，X-rayDiffraction)图谱；
图2为本发明中实施例2的XRD图谱；
图3为本发明中实施例3的XRD图谱；
图4为实施例1的扫描电子显微镜(SEM,scanningelectronmicroscopy)照片；
图5为实施例2的SEM照片；
图6为实施例3的SEM照片；
图7为本发明一种荔枝状Fe3O4-ZnO纳米复合结构典型的透射电子显微镜照片。
具体实施方式
本发明主要采用溶剂热法与水热法，通过控制反应体系中锡盐的浓度、碱盐比、反应温度、反应时间等因素获得了一种Fe3O4-ZnO纳米复合材料及制备该材料的方法，水热过程中无需任何模板和催化剂，工艺简单，产率高，且成本低廉，适合批量生产；Fe3O4微球作为核直接包覆生长ZnO纳米棒，所制备单晶ZnO纳米棒形态均一，在Fe3O4微球上包覆均匀。
图7是本发明产物Fe3O4-ZnO纳米复合材料中ZnO纳米棒的选区电子衍射照片，照片上的衍射斑点揭示该ZnO纳米棒是单晶。
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
以FeCl3·6H2O、CH3COONa·3H2O和PEG10000的混合物为溶质，以乙二醇为溶剂，充分搅拌，获得0.2mol/L的FeCl3·6H2O、0.65mol/L的CH3COONa·3H2O和0.00286mol/L的PEG10000的乙二醇混合溶液，取出35mL乙二醇混合溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封置于200℃烘箱中保温8h，待反应结束后将反应产物进行离心分离处理，并用无水乙醇洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到Fe3O4微球；将Fe3O4微球、Zn(CH3COO)2·2H2O和PEG10000的混合物加入适量去离子水充分搅拌，所得混合溶液中Fe3O4微球为0.01mol/L，Zn(CH3COO)2·2H2O为0.03mol/L，PEG10000为0.001mol/L，将混合溶液超声处理15分钟后，将0.24mol/LNaOH溶液逐滴滴入到上述混合溶液后再次超声15分钟，便得到了前驱体溶液，取出35ml前驱体溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封并置于90℃烘箱中保温8h，待反应结束后将反应产物进行离心分离，并用去离子水洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到Fe3O4-ZnO纳米复合材料。该产物的X射线衍射图谱如图1所示，扫描电子显微镜照片如图4所示；
图1说明实施例一的产物是Fe3O4-ZnO复合物，图4说明实施例一的产物具有Fe3O4-ZnO核壳结构形貌。
实施例二
以FeCl3·6H2O、CH3COONa·3H2O和PEG10000的混合物为溶质，以乙二醇为溶剂，充分搅拌，获得0.2mol/L的FeCl3·6H2O、0.65mol/L的CH3COONa·3H2O和0.00286mol/L的PEG10000的乙二醇混合溶液，取出35mL乙二醇混合溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封置于200℃烘箱中保温8h，待反应结束后将反应产物进行离心分离处理，并用无水乙醇洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到Fe3O4微球；将Fe3O4微球、Zn(CH3COO)2·2H2O和PEG10000的混合物加入适量去离子水充分搅拌，所得混合溶液中Fe3O4微球为0.05mol/L，Zn(CH3COO)2·2H2O为0.1mol/L，PEG10000为0.001mol/L，将混合溶液超声处理15分钟后，将1.0mol/LNaOH溶液逐滴滴入到上述混合溶液后再次超声15分钟，便得到了前驱体溶液，取出35ml前驱体溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封并置于120℃烘箱中保温16h，待反应结束后将反应产物进行离心分离，并用去离子水洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到Fe3O4-ZnO纳米复合材料。该产物的X射线衍射图谱如图1所示，扫描电子显微镜照片如图4所示；
图2说明实施例一的产物是Fe3O4-ZnO复合物，图5说明实施例一的产物具有Fe3O4-ZnO核壳结构形貌。
实施例三
以FeCl3·6H2O、CH3COONa·3H2O和PEG10000的混合物为溶质，以乙二醇为溶剂，充分搅拌，获得0.2mol/L的FeCl3·6H2O、0.65mol/L的CH3COONa·3H2O和0.00286mol/L的PEG10000的乙二醇混合溶液，取出35mL乙二醇混合溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封置于200℃烘箱中保温8h，待反应结束后将反应产物进行离心分离处理，并用无水乙醇洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到Fe3O4微球；将Fe3O4微球、Zn(CH3COO)2·2H2O和PEG10000的混合物加入适量去离子水充分搅拌，所得混合溶液中Fe3O4微球为0.1mol/L，Zn(CH3COO)2·2H2O为0.5mol/L，PEG10000为0.001mol/L，将混合溶液超声处理15分钟后，将7.5mol/LNaOH溶液逐滴滴入到上述混合溶液后再次超声15分钟，便得到了前驱体溶液，取出35ml前驱体溶液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜(内衬的容积为50ml)中，将其密封并置于150℃烘箱中保温32h，待反应结束后将反应产物进行离心分离，并用去离子水洗涤多次，直到滤液的pH＝7，然后将所得产物置于烘箱中60℃下烘干，便得到Fe3O4-ZnO纳米复合材料。该产物的X射线衍射图谱如图1所示，扫描电子显微镜照片如图4所示；
图3说明实施例一的产物是Fe3O4-ZnO复合物，图6说明实施例一的产物具有Fe3O4-ZnO核壳结构形貌。

Claims (10)

1.一种Fe3O4-ZnO纳米复合材料，其特征在于，包括Fe3O4微球和生长在Fe3O4微球上的ZnO纳米棒。
2.如权利要求1所述的Fe3O4-ZnO纳米复合材料，其特征在于，包括单体，所述的单体包括Fe3O4微球和生长在Fe3O4微球上的ZnO纳米棒。
3.如权利要求1或2所述的Fe3O4-ZnO纳米复合材料，其特征在于，所述的Fe3O4微球的直径为200～500nm，ZnO纳米棒沿Fe3O4微球球面半径方向排列生长，ZnO纳米棒的长径比为3～20。
4.如权利要求1或2所述的Fe3O4-ZnO纳米复合材料，其特征在于，所述的ZnO纳米棒的直径为30～100nm，ZnO纳米棒的长度为300～600nm。
5.制备权利要求1、2、3或4所述的Fe3O4-ZnO纳米复合材料的方法，其特征在于，包括采用溶剂热法制备Fe3O4微球，再在Fe3O4微球上采用水热法生长ZnO纳米棒。
6.如权利要求5所述的制备Fe3O4-ZnO纳米复合材料的方法，其特征在于，所述的溶剂热法制备Fe3O4微球包括：含铁化合物、络合剂及表面活性剂三者混合稀释溶解后在200℃下进行溶剂热反应，反应的产物洗涤至中性后烘干即得Fe3O4微球。
7.如权利要求6所述的制备Fe3O4-ZnO纳米复合材料的方法，其特征在于，所述的含铁化合物为FeCl3，FeCl3稀释溶解后的浓度为0.1～0.3mol/L，所述的表面活性剂为PEG10000，PEG10000稀释溶解后的浓度为0.0001～0.003mol/L，所述的络合剂为CH3COONa，CH3COONa稀释溶解后的浓度为0.5～0.7mol/L。
8.如权利要求6所述的制备Fe3O4-ZnO纳米复合材料的方法，其特征在于，含铁化合物、络合剂及表面活性剂三者混合稀释的溶剂为乙二醇。
9.如权利要求5所述的制备Fe3O4-ZnO纳米复合材料的方法，其特征在于，所述的在Fe3O4微球上采用水热法生长ZnO纳米棒包括：将Fe3O4微球、含锌化合物、表面活性剂混合稀释溶解后，再往混合溶液中加入强碱作为反应源在90～150℃下保温3～8h进行水热反应，反应的产物洗涤为中性并烘干即得Fe3O4-ZnO纳米复合材料。
10.如权利要求9所述的制备Fe3O4-ZnO纳米复合材料的方法，其特征在于，Fe3O4微球的浓度为0.01～0.1mol/L，所述的含锌化合物为Zn(CH3COO)2，Zn(CH3COO)2的浓度为0.03～0.5mol/L，所述的强碱为NaOH，NaOH与Zn(CH3COO)2的摩尔比为(NaOH):(Zn(CH3COO)2)＝8～15:1。
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