[发明专利]蒸气氧化法合成氧化锌空心球及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及蒸气氧化法合成氧化锌空心球及制备方法，属于先进材料制备领域。

背景技术

氧化锌(ZnO)为优良的直接带隙宽禁带半导体材料，可以广泛地应用于气体传感器、橡胶添加剂、变压器、光学装置等。其在不同领域的应用无一不是与其形貌有着密切的关系，而氧化锌的结构、微观尺寸、形貌对其性质和应用有着决定性的影响，因此氧化锌的结构和形貌的控制被广泛的研究。由于氧化锌结构的独特性和多功能性，使其不仅力学、电学性能优异，还具有特殊的导电性和吸波等特性，已经广泛应用于高技术领域。因此，新颖结构的氧化锌的合成与生长引起了人们广泛的兴趣。

氧化锌空心球结构由于具有大的表面积和较低的密度，在光子晶体，催化剂，人造细胞，能量储存介质等方面具有巨大的应用潜力。因此，引起了物理，化学和材料科学界的广泛关注。目前为止，合成氧化锌空心球方法有模板水热法，热蒸发法，自组装法等。但这些方法对氧化锌空心球的生长条件要求比较严格，不易形成高质量的产品，而且这些方法对必须通过载气、催化剂或添加剂才能实现氧化锌空心球的生长，对实验条件的要求较高，不易控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决制备氧化锌空心球对实验条件要求高，不易控制等问题，提供一种蒸气氧化法合成氧化锌空心球及制备方法，在制备过程中无需任何添加剂、催化剂或各种载气，简化了生产工艺。

本发明是一种蒸气氧化法合成的氧化锌空心球，所采用的原料为Zn粉，无其它添加剂，催化剂或载气，产物的XRD图谱如图1。

本发明是一种蒸气氧化法合成氧化锌空心球的方法，其具体制备步骤如下：

1)将石英管插入水平安放好的管式炉中，然后将管式炉升温至950～980℃，保温至达到稳定的温度；

2)在小石英舟中间部位均匀平铺一薄层Zn粉，推入石英管炉膛距离加热电阻丝约5～10cm处的位置，使Zn粉在受热的条件下形成Zn蒸气；

3)保温1～3min后，将石英舟平稳匀速拉动，在自然气流的作用下，小石英舟内的Zn蒸气流向石英管口的位置，同时可以看到Zn粉发生燃烧；

4)10～20s后将石英舟拉出石英管，可以看到管内的氧化锌产物由红色瞬间变成黄色，随即又变成白色，最后得到白色产物，即氧化锌空心球。

本发明涉及的工艺原理是：Zn粉受热转变为Zn蒸气，其在拉出的过程中凝聚成微小液滴，而微小液滴聚集形成大小不等的液簇(liquid clusters)。然后，液簇受氧气氧化先在其表面形成许多氧化锌纳米岛状晶(ZnO nanocrystalliteislands)，也可能表面全部被氧化而形成氧化锌晶体薄壳，但液簇的内核还没来得及氧化依然是液态Zn熔液。由于ZnO熔点远比Zn的熔点高，导致内核膨胀力远大于外壳，所以内核Zn熔液会从岛状晶表面微孔洞中溢出或由于内核膨胀导致外壳破裂而逸出，最终形成空心球(hollow sphere)或蛋壳(egg-shell)。

本发明由于采用了上述蒸气氧化法，严格控制工艺条件，解决了制备氧化锌空心球对实验条件要求高，不易控制等问题，并且没有添加任何催化剂或载气，降低了成本，简化了生产工艺。

附图说明

图1为蒸气氧化法合成氧化锌空心球的XRD图谱；

图2为950℃时蒸气氧化法合成氧化锌空心球的SEM照片；

图3为955℃时蒸气氧化法合成氧化锌空心球的SEM照片；

图4为960℃时蒸气氧化法合成氧化锌空心球的SEM照片；

图5为970℃时蒸气氧化法合成氧化锌空心球的SEM照片；

图6为980℃时蒸气氧化法合成氧化锌空心球的SEM照片。

具体实施方式

实施例1.

1)将长120cm的石英管插入水平安放好的管式炉中，然后将管式炉升温至950℃，保温20min左右，达到稳定的温度；

2)在小石英舟中间部位均匀平铺一层约1mm厚的Zn粉，然后将石英舟推入石英管炉膛距离加热电阻丝约5cm处的位置，使Zn粉在受热条件下形成Zn蒸气；

3)保温3min后，将石英舟平稳匀速拉动，在自然气流的作用下，小石英舟内的Zn蒸气流向石英管口的位置，同时可以看到Zn粉发生燃烧；

4)15s后将石英舟拉出石英管，可以看到管内的氧化锌产物由红色瞬间变成黄色，随即又变成白色，最后得到白色产物，即氧化锌空心球，有部分氧化锌晶须，如图2所示。

实施例2.