專利名稱：一維納米氧化鋅及其真空電弧制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化鋅及其制備方法，尤其涉及一種一維納米氧化鋅及其真空電弧制備方法。
背景技術(shù)：
納米材料是指尺寸在0.1-100nm之間的物質(zhì)組成的體系，及粒子尺寸在幾個到幾百個原子以上尺寸范圍，在此尺度內(nèi)，材料表現(xiàn)出不同于體材料的許多效應(yīng)，如量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)和介電限域效應(yīng)等。氧化鋅是一種寬禁帶的半導(dǎo)體材料，具有良好的光電、光聲效應(yīng)，可以作為短波長發(fā)光器件、場發(fā)射器件的基本材料，可作為太陽能電池的透明窗口、氣敏傳感器等。一維納米氧化鋅具有作短波長納米激光器的潛在應(yīng)用。
目前制備一維納米氧化鋅的方法主要有熱蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、水溶液沉積法、電化學(xué)沉積法、激光燒蝕法和模板法等。電弧放電法由于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，第一次成功制備了碳納米管，該方法電熱轉(zhuǎn)換效率較高，可在很短的時間內(nèi)使材料汽化，與周圍氣體熱交換，冷卻凝聚生成納米材料，而一定的高溫區(qū)域?yàn)橐痪S納米材料的生長提供條件，同時反應(yīng)區(qū)域溫度梯度很高，有可能生成尺寸更小的納米材料。但是該方法由于有電極導(dǎo)電性要求，很少用于其它非碳納米材料的制備。我們通過重新設(shè)計(jì)電弧放電陽極結(jié)構(gòu)，使得能夠用電弧放電法制備碳化硅納米絲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種一維納米氧化鋅及其真空電弧制備方法本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種一維納米氧化鋅是ZnO或Zn粉及粉狀催化劑的混合物經(jīng)放電后產(chǎn)生的白色粉末，上述粉狀催化劑為Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn、Cu、Cr、Ti、Au、Ag或其氧化物中的一種或兩種以上的混合物。
一種用于上述一維納米氧化鋅的真空電弧制備方法以石墨塊或金屬塊作為放電陰極；在作為放電陽極的石墨棒內(nèi)開設(shè)空腔，將混合后的ZnO或Zn粉及粉狀催化劑填入石墨棒內(nèi)的空腔，該粉狀催化劑為Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn、Cu、Cr、Ti、Au、Ag或其氧化物中的一種或兩種以上的混合物且粉狀催化劑的原子數(shù)小于ZnO與粉狀催化劑原子總數(shù)的30％；再將上述放電陽極和放電陰極置于一放電腔中，并在氣壓為300Torr～1atm的混合氣體環(huán)境中進(jìn)行放電電流的50-130A的放電，放電后，在放電腔內(nèi)壁上沉積的白色粉末物質(zhì)為氧化鋅納米晶須，上述混合氣體為惰性氣體與氧氣的混合氣體，氧氣所占體積為惰性氣體與氧氣總體積10-50％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)電弧放電的優(yōu)點(diǎn)是電熱轉(zhuǎn)換時間快，轉(zhuǎn)換效率高。本方法能用純ZnO或Zn粉為原料，在較短的時間內(nèi)用電弧放電的途徑制備出一維納米氧化鋅，制備所消耗的電能源和時間較少。放電區(qū)域內(nèi)，有一個高溫區(qū)域，在金屬催化劑的催化條件下，滿足生長成一維納米材料的條件，能夠形成一維納米材料，如納米線，納米棒等。如果以金屬塊為放電陰極，可以不在陽極中摻入金屬粉，放電過程中，陰極蒸發(fā)出來的少量金屬可以作為催化劑生長一維納米材料。電弧放電的通道很窄，可以在電弧周圍產(chǎn)生較高的溫度梯度，使得有可能生長成尺度接近于玻耳半徑的納米材料，使材料更多的表現(xiàn)出不同于體材料的特性。本發(fā)明的石墨陽極棒結(jié)構(gòu)巧妙地解決了用電弧放電法生長ZnO納米材料時因ZnO導(dǎo)電性差而不能作為放電電極的問題。同時本發(fā)明中的各制備參數(shù)可以調(diào)節(jié)，來影響所生長得ZnO納米材料的結(jié)構(gòu)特性和微觀形貌。
填充材料中催化劑為Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn、Cu、Cr、Ti、Au、Ag或其氧化物，主要材料為ZnO或Zn，其中催化劑的比例寫為小于30％。放電電流和放電時間不變。優(yōu)點(diǎn)羅列如下(上一段中都有包括)1.放電時間短，制備所消耗的電能源較少，效率高。
2.電弧放電時對放電電極有導(dǎo)電性要求，ZnO導(dǎo)電性較差，不能直接作為電極。
空心石墨陽極棒結(jié)構(gòu)巧妙地利用石墨導(dǎo)電性好的特點(diǎn)解決了用電弧放電法生長ZnO納米材料時因ZnO導(dǎo)電性較差而不能作為放電電極的問題。
3.催化劑材料可以摻在陽極材料中的混合粉末中，也可以選擇合適的金屬陰極，利用陰極材料的少量蒸發(fā)來獲得。
4.電弧放電的通道較窄，在電弧周圍可產(chǎn)生較高的溫度梯度，使得有可能生長成較細(xì)的納米材料，尺度可接近于玻耳半徑。
5.制備參數(shù)可以調(diào)節(jié)，來控制所生長得ZnO納米材料的結(jié)構(gòu)特性和微觀形貌。


圖1是本發(fā)明的制備裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的制備控制裝置電路圖。
圖3是由本發(fā)明制得的白色粉末的掃描電鏡照片。
圖4是對由本發(fā)明制得的納米棒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并由此得到的納米棒直徑分布圖，其中，大部分的納米棒直徑在10-25nm。
圖5是本發(fā)明制得的白色粉末樣品的拉曼光譜，在438cm-1處有一個ZnO的特征峰。
圖6是本發(fā)明制得的白色粉末樣品的X射線衍射(XRD)譜，幾乎沒有其他雜質(zhì)的衍射峰，說明我們所制備的產(chǎn)物較純凈。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1一種一維納米氧化鋅，其特征在于該一維納米氧化鋅是ZnO或Zn粉及粉狀催化劑的混合物經(jīng)放電后產(chǎn)生的白色粉末，上述粉狀催化劑為Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn、Cu、Cr、Ti、Au、Ag或其氧化物中的一種或兩種以上的混合物。從圖3的白色粉末的掃描電鏡照片中可以發(fā)現(xiàn)其中有許多一維的氧化鋅納米棒。直徑最細(xì)的只有5nm左右，接近氧化鋅的波爾半徑，最粗的約100nm，長徑比5以上。圖5統(tǒng)計(jì)了約300個納米棒后得到的直徑分布圖，可見大部分的納米棒直徑在10-25nm。
實(shí)施例2一種用于制取實(shí)施例1所述一維納米氧化鋅的真空電弧制備方法，以石墨塊或金屬塊作為放電陰極；在作為放電陽極的石墨棒內(nèi)開設(shè)空腔，將混合后的ZnO或Zn粉及粉狀催化劑填入石墨棒內(nèi)的空腔，該催化劑為Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn、Cu、Cr、Ti、Au、Ag或其氧化物中的一種或兩種以上的混合物且粉狀催化劑的原子數(shù)小于ZnO與粉狀催化劑原子總數(shù)的30％，例如可選30％、200％、15％、3％、0.3％，本實(shí)施例可以選擇其中的一種金屬或一種金屬氧化物，如選擇Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn或Cu，氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅或氧化銅；本實(shí)施例也可以選用兩種以上上述金屬或其氧化物的混合物，如Fe及Co的混合物、Ni、Sn及Mg的混合物、Mg、Mn及Cu的混合物、Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn及Cu的混合物、鐵及氧化鐵的混合物、Co、Ni及氧化鐵、氧化鎂的混合物、氧化鎂、氧化鋅及氧化銅的混合物或者，F(xiàn)e、Co、Ni、Sn、Mg、Mn、Cu、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅及氧化銅的混合物，上述混合物中各成分的配比為任意比；此后將上述放電陽極和放電陰極置于一放電腔中，并在氣壓為300Torr～1atm的混合氣體環(huán)境中進(jìn)行放電電流的50-130A的放電，放電時間15-45s，放電后，在盒內(nèi)壁上沉積的白色粉末物質(zhì)為氧化鋅納米晶須，上述氣壓為300Torr、500Torr、780Torr、600Torr、1atm，上述混合氣體為惰性氣體與氧氣的混合氣體，氧氣所占體積為惰性氣體與氧氣總體積10-50％，惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣等，惰性氣體與氧氣的體積比為10％、50％、18％、35％、26％或47％。
上述氣壓為300Torr-1atm的混合氣體環(huán)境采用如下方法獲得在放電腔上設(shè)置真空微調(diào)閥和真空泵，啟動真空泵抽氣，同時充入混合氣體，調(diào)節(jié)真空微調(diào)閥，保持氣壓300Torr-1atm，氣體流量100-1000ml/min，一個小時后，氣壓處于300Torr-1atm范圍內(nèi)，關(guān)閉真空微調(diào)閥，關(guān)閉真空泵，在本實(shí)施例中，氣壓選擇400、450、540、687或700Torr，氣體流量選擇100、247、385、489、670、82、950或1000ml/min。
本實(shí)施例還在ZnO或Zn粉及粉狀催化劑的混合物填入石墨棒內(nèi)的空腔后，用丙酮調(diào)和壓緊，并將放電陰極置于鋁筒的端部并通入放電冷卻用流動冷卻水在本發(fā)明中，在電弧產(chǎn)生的高溫條件下，ZnO蒸發(fā)，隨后快速冷卻過程中形成納米材料。混合粉末的導(dǎo)電性較差，不便通過壓制的方法作成電極，以鉆孔的石墨棒作為放電電流通道，反應(yīng)物質(zhì)填在孔中。電弧放電產(chǎn)生的高溫可在3000k以上，中心溫度更高。石墨的熔點(diǎn)在4000k以上，孔中的混合粉末由于熔點(diǎn)較低，且填壓的密度也不高，很快會蒸發(fā)汽化，催化劑金屬可與液態(tài)ZnO生成合金，可由氣液固(VLS)過程生成一維納米ZnO，純凈的ZnO或Zn作原材料時，可以自催化生成一維納米材料。少量蒸發(fā)的碳可以被氧化成CO2被抽走，使得產(chǎn)物較純凈。同時由于在電弧周圍溫度梯度較高，運(yùn)動著的小顆粒沒有足夠多的時間長大，使得生長的納米材料的尺度較小。
權(quán)利要求
1.一種一維納米氧化鋅，其特征在于該一維納米氧化鋅是ZnO或Zn粉及粉狀催化劑的混合物經(jīng)放電后產(chǎn)生的白色粉末，上述粉狀催化劑為Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn、Cu、Cr、Ti、Au、Ag或其氧化物中的一種或兩種以上的混合物。
2.一種用于制取權(quán)利要求1所述一維納米氧化鋅的真空電弧制備方法，其特征在于以石墨塊或金屬塊作為放電陰極；在作為放電陽極的石墨棒內(nèi)開設(shè)空腔，將混合后的ZnO或Zn粉及粉狀催化劑填入石墨棒內(nèi)的空腔，該粉狀催化劑為Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn、Cu、Cr、Ti、Au、Ag或其氧化物中的一種或兩種以上的混合物且粉狀催化劑的原子數(shù)小于ZnO與粉狀催化劑原子總數(shù)的30％；再將上述放電陽極和放電陰極置于一放電腔中，并在氣壓為300Torr～1atm的混合氣體環(huán)境中進(jìn)行放電電流的50-130A的放電，放電后，在放電腔內(nèi)壁上沉積的白色粉末物質(zhì)為氧化鋅納米晶須，上述混合氣體為惰性氣體與氧氣的混合氣體，氧氣所占體積為惰性氣體與氧氣總體積10-50％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的真空電弧制備方法，其特征在于氣壓為300Torr～1atm的混合氣體環(huán)境采用如下方法獲得在放電腔上設(shè)置真空微調(diào)閥和真空泵，啟動真空泵抽氣，同時充入混合氣體，調(diào)節(jié)真空微調(diào)閥，保持氣壓300Torr～1atm，氣體流量100-1000ml/min，一個小時后，氣壓處于300Torr～1atm范圍內(nèi)，關(guān)閉真空微調(diào)閥，關(guān)閉真空泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的真空電弧制備方法，其特征在于在ZnO或Zn粉及粉狀催化劑的混合物填入石墨棒內(nèi)的空腔后，用丙酮調(diào)和壓緊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真空電弧制備方法，其特征在于將放電陰極置于鋁筒的端部并通入放電冷卻用流動冷卻水。
全文摘要
一維納米氧化鋅及其制備方法。一維納米氧化鋅是ZnO或Zn粉及粉狀催化劑的混合物經(jīng)放電后產(chǎn)生的白色粉末，催化劑為Fe、Co、Ni、Sn、Mg、Mn、Cu、Cr、Ti、Au、Ag或其氧化物中的一種或兩種以上的混合物。制備方法以石墨塊或金屬塊作為放電陰極；在作為放電陽極的石墨棒內(nèi)開設(shè)空腔，將混合后的ZnO或Zn粉及催化劑填入石墨棒內(nèi)的空腔；再將上述放電陽極和放電陰極置于一放電腔中，并在氣壓為300Torr～1atm的混合氣體環(huán)境中進(jìn)行放電電流的50－130A的放電，放電后，在放電腔內(nèi)壁上沉積的白色粉末物質(zhì)為氧化鋅納米晶須，上述混合氣體為惰性氣體與氧氣的混合氣體，氧氣所占體積為惰性氣體與氧氣總體積10－50％。
文檔編號B01J23/89GK1834017SQ200610039210
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者吳旭峰, 徐春祥, 朱光平, 凌一鳴 申請人:東南大學(xué)