[发明专利]一种片层状大孔‑介孔ZnO纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米功能材料领域，具体涉及一种片层状三维大孔-介孔ZnO纳米材料及其制备方法。

背景技术

近十几年以来，环境的污染问题越发严重，已成为了目前急需解决的难题，其中包括水污染、空气污染、土壤污染等。为了解决这些问题，科研工作者的做了大量的研究。ZnO作为一种ⅡB-ⅥA族的半导体化合物，其禁带宽度为3.37eV，且拥有较高的结合能(60meV)，被公认为为一种很有潜力的半导体材料。目前在光催化，太阳能电池，纳米发电机，生物传感器和气体传感器等领域有了较多的研究以及应用。

根据文献报道，已通过水热法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、模板法等制备出氧化锌纳米颗粒、纳米线、纳米球、纳米带、三维孔状等多种形貌的氧化锌纳米结构。在不同形貌ZnO纳米材料中，三维多孔结构由于具有微结构均匀、孔尺寸方便可控、比表面积大孔隙率高等一系列特点，不仅有利于物质的传输，其较高的比表面积还有利于提供更多的反应活性位点。因而，三维多孔结构的ZnO纳米材料在诸多应用领域表现出优异的性能，所以寻求一种合成步骤简单、结构均一的孔状ZnO纳米结构的具有很重要的现实意义。

鉴于上述三维孔状纳米材料的优势，已有大量多孔纳米结构的氧化锌合成制备的相关报道。然而，尽管多孔氧化锌的合成制备技术已经趋于成熟，但孔径可控的三维多孔氧化锌粉体材料的合成仍是一个技术难题。如专利CN103318941A中所合成的多孔ZnO三维超结构是纳米片堆积的孔状氧化锌纳米结构，尺寸不均一，且由于是堆积形成的孔，存在孔径不可控的问题；专利CN102583509B中合成的珊瑚状大孔-介孔结构氧化锌材料有明显的大孔-介孔结构，但是孔径不一，限制了对孔径在大孔-介孔ZnO纳米材料的影响的研究。到目前为止，孔径可控的三维大孔-介孔ZnO结构的合成大多数都是薄膜形态的，粉体形态的孔径可控的三维大孔-介孔ZnO结构的制备合成还鲜有报道。鉴于我们之前所报道的工作[Huang H W,Liu J,He G,et al.RSC Advances,2015,5(123):101910-101916.]，由于所制备的大孔介孔氧化锌是大块团聚状态的，处于块状内部的ZnO利用率低，一定程度上影响了材料的性能，基于上述情况，我们提出合成孔径可控的片层状三维多孔氧化锌粉体材料，使材料的应用率提高，并应用于光催化和气敏传感器领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种片层状三维大孔-介孔ZnO纳米材料及其制备方法，所述片层状三维大孔-介孔ZnO纳米材料呈分层多孔片状结构、大孔孔径可控、结晶性好、纯度高，可克服ZnO纳米颗粒间团聚而导致材料性能减弱的难题；层状结构相对于大块堆积结构，其内部材料的利用率更高；且涉及的制备方法简单、原料廉价易得，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种片层状三维大孔-介孔ZnO纳米材料，所述三维大孔-介孔ZnO纳米材料呈分层多孔片层状结构，其晶型为纤锌矿型，其片层厚为10～20μm，大孔孔径为300～600nm，介孔孔径为15～30nm。

上述一种片层状三维大孔-介孔ZnO纳米材料的制备方法，它以聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾小球为模板、ZnO纳米晶粒为填充物，分别配制聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾模板小球溶液和ZnO纳米晶粒溶液，然后交替进行层层抽滤处理，再将抽滤后所得产物进行干燥和煅烧，制备得到三维大孔-介孔ZnO纳米材料；其中所述聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾模板小球溶液的浓度为0.2～0.8wt％，ZnO纳米晶粒溶液的浓度为0.01～0.1g/mL。

按上述方案，所述层层抽滤处理步骤为：首先将聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾模板小球溶液置于平底漏斗中进行抽滤，得固体产物I；再加入ZnO纳米晶溶液继续进行抽滤，得固体产物II，然后依次重复所述两个抽滤步骤4～8次；其中分步加入的聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾模板小球溶液和ZnO纳米晶溶液的体积比为(1～3):1；抽滤过程速度控制在5～15ml/min。

按上述方案，所述聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾模板小球的粒径为300～600nm，ZnO纳米晶粒的尺寸为20～40nm。

按上述方案，所述干燥温度为40～80℃。

按上述方案，所述煅烧温度为450～600℃，煅烧时间为4～8h。煅烧的主要目的是除去高分子模板，氧化锌在450～600℃不会发生晶型转变，保持纤锌矿结构。