一種金屬氧化物半導體納米材料的制備方法技術

一種新型的金屬氧化物半導體納米材料的制備方法。通過脈沖直流電源對置于水中的兩根金屬電極供電以在兩電極之間產生等離子體放電，在放電產生的高能量等離子體對金屬電極表面進行持續濺射攻擊下，從電極表面形成的金屬原子或金屬原子團簇進入水中，隨后經過原位氧化和附著生長形成了具有獨特形貌的金屬氧化物納米材料。該方法在常溫常壓開放體系中運作，實驗設備要求簡單，可操作性強，且產物純度高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于無機納米材料領域，具體涉及一種氧化銅和氧化鋅半導體納米材料的制備方法。
技術介紹
納米尺度金屬氧化物半導體的理化性質與塊材有著很大區別，因而針對金屬氧化物半導體納米材料的研究得到了極大關注。氧化銅(CuO)和氧化鋅(ZnO)是兩種重要的半導體材料，它們在催化劑、氣相和生物傳感器、納米結構變阻器、紫外吸收劑、色素增感太陽能電池、發光二極管、氫存儲等領域有著廣泛的應用。研究和應用中發現，進入納米尺度后，顆粒尺寸和形貌對半導體化合物的理化性能及其應用方向有著非常大的影響，因此在過去十幾年中出現了很多用以控制CuO或ZnO納米材料尺寸和形貌的合成工藝，如固相反應法、水熱法、溶膠凝膠法、化學沉淀法、化學氣相沉積法，等等。但是，這些合成方法大多仍然存在著明顯不足，如產品純度不足、工藝復雜等。因此，尋求 簡單高效且形貌可控的CuO和ZnO納米材料合成方法仍是現階段的一個研究熱點。本專利技術公開了一種新的、簡單的金屬氧化物半導體納米材料的制備方法。該方法可以得到高純度的氧化銅和氧化鋅納米材料，產物具有獨特的納米形貌。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種新型的金屬氧化物半導體納米材料的制備方法。通過脈沖直流電源對置于水中的兩根金屬電極供電以在兩電極之間產生等離子體放電，在放電產生的高能量等離子體對金屬電極表面進行持續濺射攻擊下，從電極表面形成的金屬原子或金屬原子團簇進入水中等離子放電區域，經過原位氧化及后期的附著生長，形成了形貌獨特的金屬氧化物半導體納米材料。該方法在常溫常壓的開放體系中運作，不需要任何化學添加劑、氣流和模板，實驗設備要求簡單，可操作性強，且產物純度高，可實現批量化可控生產。同時，該方法制得的金屬氧化物納米材料不同于傳統方法制備的表面形貌光滑的產物，有望在光、電及催化劑等方面得到廣泛應用。，以金屬電極為原材料，通過在水中電極之間等離子體誘導形成金屬氧化物納米材料。包括以下步驟:取目標金屬作為兩個相對的電極，連接脈沖直流電源形成放電回路，并將兩電極以相對且保持一定間距的位置浸沒在水中；在保持攪拌的情況下，連通電路以使兩電極之間產生高能量等離子體；依據產量要求控制反應時間，待放電結束后，溶液經過濾或離心分離、干燥即得到對應的金屬氧化物半導體納米材料。更具體地，本專利技術所述金屬氧化物半導體納米材料的制備方法，包括以下步驟:I)金屬電極對的準備選取兩根直徑相同的金屬棒，然后在兩根金屬棒外套上內徑與金屬棒直徑相同的氧化鋁絕緣管，接著將其固定在內徑與氧化鋁絕緣管外徑相同的特氟龍管中，即得到金屬反應電極；然后，將金屬反應電極以水平相對的位置通過容器壁上的孔安裝到絕緣容器上，兩電極之間間距在0.1-1mm,電極之間夾角為180°，連接脈沖直流電源以形成放電回路；任選地，如圖1所示，可在絕緣容器外配設一冷卻系統以調節體系溫度，例如通?？蓪⒔^緣容器置于一室溫水浴中；2)金屬氧化物半導體納米材料的制備在步驟I的絕緣容器中加入水，確保金屬電極對被水浸沒且水面到電極的距離大于IOmm ;在體系保持攪拌的情況下，連通電路，通過電源控制儀表盤選定脈沖頻率和脈沖寬度，調節電壓直到電極之間等離子體產生(即出現肉眼可見的明顯亮光)；固定上述電壓、脈沖頻率和脈沖寬度，在等離子放電過程中調整電極對之間間距以使其保持不變，確保等離子體持續產生；持續放電5分鐘以上，放電結束后將所得到的溶液繼續攪拌10分鐘以上，然后經過濾或 離心分離、干燥即得到具有獨特形貌的金屬氧化物半導體納米材料。本專利技術所用制備裝置具體可參閱附圖1。本專利技術的制備方法中，所述金屬優選銅或鋅。對應地，所述金屬氧化物為氧化銅或氧化鋅?？墒褂媒饘倬€代替金屬棒；金屬棒或線的直徑優選0.5-5mm,更優選l_2mm。所述絕緣容器可以是公知的電絕緣材質的容器，如玻璃容器。兩電極之間間距優選0.1-0.5mm,更優選0.2-0.4mm。脈沖直流電源的脈沖頻率為5_50kHz，優選10_30kHz ;脈沖寬度為0.5-5 μ S，優選1_3 Us0最終金屬氧化物納米材料的產量可以通過放電時間(即反應時間)來自由控制。通過本專利技術的制備方法，可獲得具有獨特形貌和表面結構的、高純度的氧化銅或氧化鋅納米材料。該方法在常溫常壓開放體系中運作，實驗設備要求簡單，可操作性強，且產物純度高，避免了因添加劑帶來的雜質影響，可實現批量化可控生產。另外，通過簡單更換電極材料，可很容易地實現其它材料或復合材料的生產，例如將金屬銅和金屬鋅電極組合，可控制生長ZnO-CuO復合材料。附圖說明圖1為本專利技術制備金屬氧化物半導體納米材料的裝置示意圖。圖2為實施例1制備的氧化銅納米材料的X射線衍射圖。圖3為實施例1制備的束狀氧化銅納米材料的透射電鏡圖。圖4為實施例1制備的束狀氧化銅納米材料的高倍透射電鏡圖。圖5為實施例2制備的氧化鋅納米材料的X射線衍射圖。圖6為實施例2制備的花簇狀氧化鋅納米材料的透射電鏡圖。圖7為實施例2制備的花簇狀氧化鋅納米材料的高倍透射電鏡圖。具體實施例方式以下將通過實施例以對本專利技術作進一步描述，但不應將其理解為對本專利技術保護范圍的限制。實施例1束狀氧化銅納米材料的制備I)銅電極對的準備選取兩根直徑2mm、長度IOmm的銅棒，在兩根銅棒外套上氧化鋁絕緣管(內徑2mm，外徑3mm)，再固定在特氟龍管(內徑3mm沖，即得到銅反應電極。將上述銅反應電極以水平相對的位置通過容器壁上的孔安裝到玻璃容器上，電極對之間間距固定在0.2mm,電極對間夾角固定在180°，連接脈沖直流電源(型號MPP-HV03，日本株式會社栗田制作所)以形成放電回路。2)束狀氧化銅納米材料的制備在150ml玻璃容器中加入120ml蒸餾水，確保銅電極對被水浸沒且水面到電極的距離大于IOmm;在體系攪拌的情況下，連通電路，通過電源控制儀表盤設定脈沖頻率(10kHz)、脈沖寬度(2 μ S)，調節電壓直到電極之間等離子體產生，固定上述電壓、脈沖頻率和脈沖寬度，在等離子放電過程中每2分鐘調整一次電極對之間間距以使其保持在0.2mm,確保等離子體持續產生；持續放電10分鐘后關閉電源，待放電結束后，將所得到的黃色粉體溶液繼續攪拌10分鐘，然后經過離心分離、干燥即得到束狀氧化銅納米粉體。對上述實施例1制得的產物進行了結構表征:圖2為該氧化銅納米材料的X射線衍射圖(XRD)。該圖中，各衍射峰和氧化銅(JCPDS89-2529標準卡)完全一致，從而說明得到的產物為氧化銅材料。圖3和圖4為氧化銅納米材料不同倍率的透射電鏡圖。從圖3中可以看出，所得產物具有束狀形貌，單束顆粒由長度為數十納米的晶須融合生長而成，表面完整度較低。圖4表明該束狀氧化銅具有良好的結晶 性。實施例2花簇狀氧化鋅納米材料的制備I)鋅電極對的準備:選取兩根直徑1mm、長度IOmm的鋅線，在兩根鋅線外套上氧化鋁絕緣管(內徑1mm，外徑2.5_)，再固定在特氟龍管(內徑2.5_)中，即得到鋅反應電極。將上述鋅反應電極以水平相對的位置通過容器壁上的孔安裝到玻璃容器上，電極對之間間距固定在0.2mm,電極對間夾角固定在180°，連接脈沖直流電源(型號MPP-HV03，日本株式會社栗田制作所)以形成放電回路。然后如圖1所示，將玻璃容器置于一室溫水浴中。2)花簇狀氧化鋅納米材料的制備在15本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種金屬氧化物半導體納米材料的制備方法，包括以下步驟：取目標金屬作為兩個相對的電極，連接脈沖直流電源形成放電回路，并將兩電極以相對且保持一定間距的位置浸沒在水中；在保持攪拌的情況下，連通電路以使兩電極之間產生高能量等離子體；依據產量要求控制反應時間，待放電結束后，溶液經過濾或離心分離、干燥即得到對應的金屬氧化物半導體納米材料。

【技術特征摘要】
1.一種金屬氧化物半導體納米材料的制備方法，包括以下步驟:取目標金屬作為兩個相對的電極，連接脈沖直流電源形成放電回路，并將兩電極以相對且保持一定間距的位置浸沒在水中；在保持攪拌的情況下，連通電路以使兩電極之間產生高能量等離子體；依據產量要求控制反應時間，待放電結束后，溶液經過濾或離心分離、干燥即得到對應的金屬氧化物半導體納米材料。2.權利要求1所述金屬氧化物半導體納米材料的制備方法，具體包括以下步驟: 1)金屬電極對的準備 選取兩根直徑相同的金屬棒，然后在兩根金屬棒外套上內徑與金屬棒直徑相同的氧化鋁絕緣管，接著將其固定在內徑與氧化鋁絕緣管外徑相同的特氟龍管中，即得到金屬反應電極； 然后，將金屬反應電極以水平相對的位置通過容器壁上的孔安裝到絕緣容器上，兩電極之間間距在0.1-1mm,電極之間夾角為180°，連接脈沖直流電源以形成放電回路； 2)金屬氧化物半導體納米材料的制備 在步驟I的絕緣容器中加入水，確保金屬電極對被水浸沒且水面到電極的距離大于IOmm;在體系保持攪拌的情況下，連通電路，通過電源控制儀表盤選定脈沖頻率和脈沖寬度，調節電壓直到電極之間等離子體產生 ；固定上述電壓、脈沖頻率和脈沖寬度...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡秀蘭，
申請(專利權)人：南京工業大學，
類型：發明
國別省市：