一种白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备方法.pdf

本发明涉及一种白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备方法，它以氯化锌和氢氧化钠为原料，以氢氧化钠为酸碱度pH值的碱性调节剂，以去离子水为溶剂、清洗剂、洗涤剂、真空干燥载体，先配制氯化锌和氢氧化钠水溶液，并进行混合，在水浴加热、搅拌、水循环冷凝状态下，混合溶液进行化学反应，晶粒生长并析出，反应后，经离心分离、洗涤、真空干燥，最终制成白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌产物粉末，此方法工艺周期短，加热温度低，使用原料少，产物形貌颜色纯正、形状规则，直径为80-100nm，最大长度为2500nm，制备成本低，产出率高，可达65％，产物纯度高，氧化锌纯度为99.5％。

1、  一种白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：氯化锌、氢氧化钠、去离子水，其组合配比如下：以克、毫升为计量单位
氯化锌：ZnCl₂     34.08g±0.005g
氢氧化钠：NaOH    100g±1g
去离子水：H₂O     5000ml±10ml
水浴水：H₂O       1500ml±10ml
制备方法如下：
(1)、洁净处理试验器皿
对制备使用的四口烧瓶、烧杯、搅拌器、容器、容量瓶、水循环冷凝管、水浴缸、温度计等进行洁净处理，用去离子水1000ml分别超声波清洗，重复清洗进行三次，使其洁净；
(2)、干燥处理试验器皿
对清洗后的试验器皿分别置于干燥箱中，进行干燥处理，干燥温度100℃±5℃，干燥时间30min±2min；
(3)、配制氯化锌水溶液
将氯化锌34.08g±0.005g置于烧杯中，然后加入去离子500ml±5ml，用磁力搅拌器搅拌20min±2min，使其溶解成氯化锌水溶液；
(4)、配制氢氧化钠水溶液
将氢氧化钠100g±1g置于烧杯中，然后加入去离子水500ml±5ml，用磁力搅拌器搅拌20min±2min，使其溶解成氢氧化钠水溶液；
(5)、加热、水浴状态溶液混合、化学反应、产物生成
①将四口烧瓶置于水浴缸上，将水浴缸置于电热套上，在水浴缸中加入水浴水1500ml；
②在四口烧瓶上由左至右并排插入温度计、加液漏斗、磁力搅拌器、水循环冷凝管；
③将氢氧化钠水溶液17.5ml±0.5ml由加液漏斗加入到四口烧瓶内；
④将氯化锌水溶液17.5ml±0.5ml由加液漏斗加入到四口烧瓶内；
⑤通过加液漏斗向四口烧瓶内加入去离子水20ml±1ml，开启磁力搅拌器，氢氧化钠水溶液、氯化锌水溶液和去离子水混合、搅拌，成：澄清透明混合溶液；
⑥开启电热套，使水浴锅内温度由20℃±3℃升至61℃±1℃；
⑦开启水循环冷凝管的进水管、出水管、出气孔，进行水循环冷凝，使四口烧瓶内温度恒定保持在60℃±1℃；
⑧氯化锌+氢氧化钠混合水溶液在水浴加热、搅拌、水循环冷凝状态下进行化学反应，时间180min±5min，混合溶液由澄清转化为白色浑浊溶液，反应式如下：

式中：
ZnO：氧化锌
NaCl：氯化钠
⑨氯化锌+氢氧化钠混合水溶液恒温水浴加热、搅拌、水循环冷凝、化学反应时间为180min±5min；
⑩化学反应结束后，关闭电热套、磁力搅拌器、水循环冷凝管，使反应后的白色浑浊溶液静置，随四口烧瓶冷却至20℃±3℃；
(6)、离心分离
将化学反应生成的白色浑浊溶液置于无色透明的玻璃容器中，然后置于离心机上进行离心分离，离心机转速为2900r/min，离心分离时间为10min，离心分离后，上层澄清溶液为废液，倒掉，底部为初级产物并收集，即：白色、针叶形、六棱状氧化锌；
(7)、离心洗涤初级产物
将收集的氧化锌初级产物置于无色透明的玻璃容器中，加入洗涤剂去离子水50ml±2ml，然后置于离心机上，进行离心洗涤，离心机转速为2900r/min，离心洗涤时间为10min；
离心洗涤重复进行三次；
(8)、产物真空干燥
将离心洗涤的初级产物中置于无色透明的玻璃容器中，加入干燥载体去离子水50ml±2ml，然后置于真空干燥箱中，进行真空干燥处理，干燥温度为60℃±2℃，真空度为200Pa，干燥时间为240min±10min；
真空干燥后得最终产物，即：白色、针叶形、六棱状、单晶、纳米级氧化锌；
(9)、检测、化验、分析、表征
对制备的白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的形貌、色泽、成分、纯度、晶体结构和化学物理性能进行检测、化验、分析、表征；
用扫描电镜仪进行形貌分析；
用透射电镜仪进行晶体分析；
用X光粉末衍射仪进行晶体结构和纯度分析；
用紫外-可见光分光光度仪进行光吸收性能分析；
氧化锌纯度99.5％，单晶体直径80-100nm，最大长度2500nm；
(10)、产物储存
制备的白色针叶形六棱状单晶氧化锌储存于无色透明的玻璃容器中，密闭保存，储存于阴凉、干燥、洁净环境中，要防水、防潮、防酸碱侵蚀，储存温度20℃±3℃，相对湿度≤10％。

2、  根据权利要求1所述的一种白色针叶形六棱状单晶氧化锌的制备方法，其特征在于：所述的白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备，是以氯化锌和氢氧化钠为原料，以氢氧化钠为酸碱度pH值碱性调节剂，以去离子水为试验器皿清洗剂、化学物质溶解剂、离心洗涤剂和真空干燥载体。

3、  根据权利要求1所述的一种白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备方法，其特征在于：所述的制备的纳米级氧化锌产物形貌为：白色、针叶形、六棱状、单晶体，产物粉粒单晶体直径为80-100nm，最大长度为2500nm。

4、  根据权利要求1所述的一种白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备方法，其特征在于：所述的白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备，是在水浴、加热、磁力搅拌、水循环冷凝状态下完成的，在电热套1的上部为水浴缸3，在水浴缸3上放置四口烧瓶4，在四口烧瓶4上部由左至右依次安放橡皮塞5、6、7、8，橡皮塞5、6、7、8上分别插入温度计9、加液漏斗10、磁力搅拌器11、水循环冷凝管12，水循环冷凝管12上设有进水管13、出水管14和出气孔15，在电热套1的右部设有控制器2，在水浴缸3内置放水浴水16，四口烧瓶4内为氯化锌+氢氧化钠水溶液，化学反应产生的废气由出气孔15排出，水浴缸3内的水浴水16温度为61℃±1℃，四口烧瓶4内的氯化锌+氢氧化钠水溶液温度为60℃±1℃。

一种白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备方法
技术领域
本发明涉及一种白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备方法，属无机单晶体化学物质氧化锌的制备方法及应用的技术领域。
背景技术
氧化锌是一种具有重要应用价值的无机半导体材料，常温下的禁带宽度为3.37ev，束缚激子能为60mev，在常温下易被激发，而纳米级氧化锌由于粒子尺寸小、比表面积大，具有表面效应、量子尺寸效应和久保效应，展现出许多特殊性质，如无毒、非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力，因而被广泛应用于光电二极管、光电探测器、传感器等领域；最近还发现氧化锌纳米结构具有紫外激光、压电性能和光催化性能，使氧化锌在新技术领域的应用成为可能，例如在压电材料、压敏器件、高效催化剂等领域应用。
目前，氧化锌的制备方法常用的有沉淀法，是在溶液中加入沉淀剂，在高温下分解沉淀产物；溶胶-凝胶法，水解、溶胶、凝胶、固化和热处理它的氧化物；气相法，高温加热，将原料氧化、反应、冷却成氧化物；水热法，是将锌盐和碱混合置于高压釜中，高温下制得氧化物；这些方法虽然都能制得氧化锌产物，但都存在一些技术上的不足，有的制备周期长、成本高；有的产物纯度低，应用中受限制；有的产物形貌不规则，与共存物质难以匹配；还有的在制备、提纯过程中存在不利于工业化的弊端。
发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的不足，采用一种水浴反应法，通过原料的溶解、混合、搅拌，在水浴加热状态下进行化学反应、超声洗涤、离心机提纯、真空干燥，制得白色针叶形六棱状单晶氧化锌产物，以大幅度提高氧化锌单晶体的纯度和产出率。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：氯化锌、氢氧化钠、去离子水，其组合配比如下：以克、毫升为计量单位
氯化锌：ZnCl₂     34.08g±0.005g
氢氧化钠：NaOH    100g±1g
去离子水：H₂O     5000ml±10ml
水浴水：H₂O       1500ml±10ml
制备方法如下：
(1)、洁净处理试验器皿
对制备使用的四口烧瓶、烧杯、搅拌器、容器、容量瓶、水循环冷凝管、水浴缸、温度计等进行洁净处理，用去离子水1000ml分别超声波清洗，重复清洗进行三次，使其洁净；
(2)、干燥处理试验器皿
对清洗后的试验器皿分别置于干燥箱中，进行干燥处理，干燥温度100℃±5℃，干燥时间30min±2min；
(3)、配制氯化锌水溶液
将氯化锌34.08g±0.005g置于烧杯中，然后加入去离子500ml±5ml，用磁力搅拌器搅拌20min±2min，使其溶解成氯化锌水溶液；
(4)、配制氢氧化钠水溶液
将氢氧化钠100g±1g置于烧杯中，然后加入去离子水500ml±5ml，用磁力搅拌器搅拌20min±2min，使其溶解成氢氧化钠水溶液；
(5)、加热、水浴状态溶液混合、化学反应、产物生成
①将四口烧瓶置于水浴缸上，将水浴缸置于电热套上，在水浴缸中加入水浴水1500ml；
②在四口烧瓶上由左至右并排插入温度计、加液漏斗、磁力搅拌器、水循环冷凝管；
③将氢氧化钠水溶液17.5ml±0.5ml由加液漏斗加入到四口烧瓶内；
④将氯化锌水溶液17.5ml±0.5ml由加液漏斗加入到四口烧瓶内；
⑤通过加液漏斗向四口烧瓶内加入去离子水20ml±1ml，开启磁力搅拌器，氢氧化钠水溶液、氯化锌水溶液和去离子水混合、搅拌，成：澄清透明混合溶液；
⑥开启电热套，使水浴锅内温度由20℃±3℃升至61℃±1℃；
⑦开启水循环冷凝管的进水管、出水管、出气孔，进行水循环冷凝，使四口烧瓶内温度恒定保持在60℃±1℃；
⑧氯化锌+氢氧化钠混合水溶液在水浴加热、搅拌、水循环冷凝状态下进行化学反应，时间180min±5min，混合溶液由澄清转化为白色浑浊溶液，反应式如下：

式中：
ZnO：氧化锌
NaCl：氯化钠
⑨氯化锌+氢氧化钠混合水溶液恒温水浴加热、搅拌、水循环冷凝、化学反应时间为180min±5min；
⑩化学反应结束后，关闭电热套、磁力搅拌器、水循环冷凝管，使反应后的白色浑浊溶液静置，随四口烧瓶冷却至20℃±3℃；
(6)、离心分离
将化学反应生成的白色浑浊溶液置于无色透明的玻璃容器中，然后置于离心机上进行离心分离，离心机转速为2900r/min，离心分离时间为10min，离心分离后，上层澄清溶液为废液，倒掉，底部为初级产物并收集，即：白色、针叶形、六棱状氧化锌；
(7)、离心洗涤初级产物
将收集的氧化锌初级产物置于无色透明的玻璃容器中，加入洗涤剂去离子水50ml±2ml，然后置于离心机上，进行离心洗涤，离心机转速为2900r/min，离心洗涤时间为10min；
离心洗涤重复进行三次；
(8)、产物真空干燥
将离心洗涤的初级产物置于无色透明的玻璃容器中，加入干燥载体去离子水50ml±2ml，然后置于真空干燥箱中，进行真空干燥处理，干燥温度为60℃±2℃，真空度为200Pa，干燥时间为240min±10min；
真空干燥后得最终产物，即：白色、针叶形、六棱状、单晶、纳米级氧化锌；
(9)、检测、化验、分析、表征
对制备的白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的形貌、色泽、成分、纯度、晶体结构和化学物理性能进行检测、化验、分析、表征；
用扫描电镜仪进行形貌分析；
用投射电镜仪进行晶体分析；
用X光粉末衍射仪进行晶体结构和纯度分析；
用紫外-可见光分光光度仪进行光吸收性能分析；
氧化锌纯度99.5％，单晶体直径80-100nm，最大长度2500nm；
(10)、产物储存
制备的白色针叶形六棱状单晶氧化锌储存于无色透明的玻璃容器中，密闭保存，储存于阴凉、干燥、洁净环境中，要防水、防潮、防酸碱侵蚀，储存温度20℃±3℃，相对湿度≤10％。
所述的白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备，是以氯化锌和氢氧化钠为原料，以氢氧化钠为酸碱度pH值碱性调节剂，以去离子水为试验器皿清洗剂、化学物质溶解剂、离心洗涤剂和真空干燥载体。
所述的制备的纳米级氧化锌产物形貌为：白色、针叶形、六棱状、单晶体，产物粉粒单晶体直径为80-100nm，最大长度为2500nm。
所述的白色针叶形六棱状单晶纳米级氧化锌的制备，是在水浴、加热、磁力搅拌、水循环冷凝状态下完成的，在电热套1的上部为水浴缸3，在水浴缸3上放置四口烧瓶4，在四口烧瓶4上部由左至右依次安放橡皮塞5、6、7、8，橡皮塞5、6、7、8上分别插入温度计9、加液漏斗10、磁力搅拌器11、水循环冷凝管12，水循环冷凝管12上设有进水管13、出水管14和出气孔15，在电热套1的右部设有控制器2，在水浴缸3内置放水浴水16，四口烧瓶4内为氯化锌+氢氧化钠水溶液，化学反应产生的废气由出气孔15排出，水浴缸3内的水浴水16温度为61℃±1℃，四口烧瓶4内的氯化锌+氢氧化钠水溶液温度为60℃±1℃。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，它是根据氧化锌的生成和晶粒生长原理，而采用的制备方法，先配制氯化锌水溶液和氢氧化钠水溶液，然后进行混合，在61℃±1℃水浴加热、搅拌、水循环冷凝状态下，溶液进行化学反应、晶粒生长、成白色浑浊溶液，经高速离心分离、清洗、真空干燥，最终分离出白色、针叶形、六棱状、单晶纳米级氧化锌产物，此制备方法工艺流程短，从原料到制成产物，在10小时内就可完成；加热温度低，只需60℃，使用原料品种数量少，仅需氯化锌、氢氧化钠和去离子水；不需要加入任何沉淀剂、表面活性剂和其他溶剂，产物形状规则、清晰，色泽纯正为白色、针叶形、六棱状、单晶体，直径为80-100nm，最大长度为2500nm，化学物理性能稳定、制备成本低、产出率高，可达65％，产物纯度高，氧化锌含量可达99.5％，是十分理想的制备单晶体纳米级氧化锌的方法。
附图说明
图1为制备工艺流程图
图2为氯化锌和氢氧化钠水溶液混合反应状态图
图3为产物放大10000倍针叶形堆积状态图
图4为单根产物放大30万倍六棱状形貌图
图5为产物透射晶体堆积图
图6为产物透射和晶体衍射图
图7为产物粉末X光衍射强度图谱
图8为氧化锌产物紫外-可见光吸收图谱
图中所示，附图标记清单如下：
1、电热套，2、控制器，3、水浴缸，4、四口烧瓶，5、橡皮塞，6、橡皮塞，7、橡皮塞，8、橡皮塞，9、温度计，10、加液漏斗，11、磁力搅拌器，12、水循环冷凝管，13、进水管，14、出水管，15、出气孔，16、水浴水，17、氯化锌+氢氧化钠水溶液。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为制备工艺流程图，要严格按工艺流程进行操作，按序进行。
制备所需化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升为计量单位，当工业化制取时，以千克、升为计量单位。
制备所需的试验器皿：四口烧瓶、水浴缸、磁力搅拌器、烧杯、容器、水循环冷凝管、温度计等要进行超声波清洗，保持洁净，以防杂质介入，产生副产物。
氯化锌水溶液和氢氧化钠水溶液要先行配制，严格按量值进行，搅拌混合要充分。
氧化锌晶体的制备是在电热套加热、水浴缸内浸放四口烧瓶、水循环冷凝、磁力搅拌状态下进行实施的。
加热温度为61℃±1℃，并保持恒定，四口烧瓶内温度为60℃±1℃，反应废气由出气孔排出，在加热、搅拌的反应过程中，产物晶粒生长成针叶形六棱状产物，生长机理如下：
在反应初期，氯化锌和氢氧化钠反应生成具有双性的氢氧化锌物质，由于溶液内氢氧化钠过量，溶液具有强碱性，在氢氧化钠生成瞬间又和氢氧化钠反应，生成锌的络合离子，溶解在溶液中，随着这种络合离子的不断生成并达到饱和，开始不断析出氧化锌晶核，随着加热并伴随搅拌的进行，晶核不断长大，随着溶液浓度的下降，晶体生长逐渐减缓，形成最终产物。
加热、搅拌反应完成后要进行离心分离，然后进行三次离心清洗，真空干燥后得最终产物，即：白色、针叶形、六棱状、单晶纳米级氧化锌。
制备流程要严格进行，产物储存也要严格，以防影响其性能。
图2所示，为氯化锌和氢氧化钠水溶液化学反应、晶粒生长状态图，各部位置要正确，水浴水要浸没四口烧瓶的3/4，四口烧瓶内的混合溶液要置于水浴水的下部，要严格控制试验时间、温度和搅拌状态。
图3所示，为产物放大10000倍堆积状态图，图中可知：产物呈不规则堆积，白色针叶形晶粒棒状物相互交错。
图4所示，为单个产物放大30万倍形貌图，图中可知：产物单个形貌为白色六棱棒状，棒的端面六棱明显、规则，标尺单位为100nm。
图5所示，为产物透射堆积晶体图，图中可知：产物结构为堆积状，标尺单位为1μm。
图6所示，为单根产物透射和衍射斑点图，图中可知：产物是结晶状态良好的单晶体，标尺单位为200nm。
图7所示，为产物粉末X射线衍射强度图谱，纵坐标为相对强度指数，横坐标为衍射角2θ，图中可知：产物是纯正的六方晶系氧化锌晶体，没有发现任何其他杂峰，说明产物中无其他杂质，纯度高，在37°处有一最高峰，对应101位面，在73°处有一最小峰，对应于004位面。
图8所示，为氧化锌产物紫外-可见光吸收图谱，横坐标为光的波长，纵坐标为吸光度，图中可知：在波长375nm处出现最高吸收峰，从波长大于420nm开始的可见光波段吸收度开始下降，但有一定的吸收能力，说明产物对紫外线有很强的吸收能力，并且在可见光波段也有一定程度的吸收，这是普通氧化锌材料所不具备的。