專利名稱：蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球及制備方法，屬于先進(jìn)材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋅(ZnO)為優(yōu)良的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以廣泛地應(yīng)用于氣體傳感器、橡膠添加劑、變壓器、光學(xué)裝置等。其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用無一不是與其形貌有著密切的關(guān)系，而氧化鋅的結(jié)構(gòu)、微觀尺寸、形貌對(duì)其性質(zhì)和應(yīng)用有著決定性的影響，因此氧化鋅的結(jié)構(gòu)和形貌的控制被廣泛的研究。由于氧化鋅結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和多功能性，使其不僅力學(xué)、電學(xué)性能優(yōu)異，還具有特殊的導(dǎo)電性和吸波等特性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高技術(shù)領(lǐng)域。因此，新穎結(jié)構(gòu)的氧化鋅的合成與生長(zhǎng)引起了人們廣泛的興趣。
氧化鋅空心球結(jié)構(gòu)由于具有大的表面積和較低的密度，在光子晶體，催化劑，人造細(xì)胞，能量?jī)?chǔ)存介質(zhì)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。因此，引起了物理，化學(xué)和材料科學(xué)界的廣泛關(guān)注。目前為止，合成氧化鋅空心球方法有模板水熱法，熱蒸發(fā)法，自組裝法等。但這些方法對(duì)氧化鋅空心球的生長(zhǎng)條件要求比較嚴(yán)格，不易形成高質(zhì)量的產(chǎn)品，而且這些方法對(duì)必須通過載氣、催化劑或添加劑才能實(shí)現(xiàn)氧化鋅空心球的生長(zhǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求較高，不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決制備氧化鋅空心球?qū)?shí)驗(yàn)條件要求高，不易控制等問題，提供一種蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球及制備方法，在制備過程中無需任何添加劑、催化劑或各種載氣，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。
本發(fā)明是一種蒸氣氧化法合成的氧化鋅空心球，所采用的原料為Zn粉，無其它添加劑，催化劑或載氣，產(chǎn)物的XRD圖譜如圖1。
本發(fā)明是一種蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球的方法，其具體制備步驟如下1) 將石英管插入水平安放好的管式爐中，然后將管式爐升溫至950 980 °C，保溫至達(dá)到穩(wěn)定的溫度；
2) 在小石英舟中間部位均勻平鋪一薄層Zn粉，推入石英管爐膛距離加熱 電阻絲約5 10cm處的位置，使Zn粉在受熱的條件下形成Zn蒸氣；
3) 保溫l 3min后，將石英舟平穩(wěn)勻速拉動(dòng)，在自然氣流的作用下，小石 英舟內(nèi)的Zn蒸氣流向石英管口的位置，同時(shí)可以看到Zn粉發(fā)生燃燒；
4) 10 20s后將石英舟拉出石英管，可以看到管內(nèi)的氧化鋅產(chǎn)物由紅色瞬 間變成黃色，隨即又變成白色，最后得到白色產(chǎn)物，即氧化鋅空心球。
本發(fā)明涉及的工藝原理是Zn粉受熱轉(zhuǎn)變?yōu)閆n蒸氣，其在拉出的過程中 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， 液簇受氧氣氧化先在其表面形成許多氧化鋅納米島狀晶(ZnO nanocrystallite islands),也可能表面全部被氧化而形成氧化鋅晶體薄殼，但液簇的內(nèi)核還沒來 得及氧化依然是液態(tài)Zn熔液。由于ZnO熔點(diǎn)遠(yuǎn)比Zn的熔點(diǎn)高，導(dǎo)致內(nèi)核膨 脹力遠(yuǎn)大于外殼，所以內(nèi)核Zn熔液會(huì)從島狀晶表面微孔洞中溢出或由于內(nèi)核膨 脹導(dǎo)致外殼破裂而逸出，最終形成空心球(hollow sphere)或蛋殼(egg-shell)。
本發(fā)明由于采用了上述蒸氣氧化法，嚴(yán)格控制工藝條件，解決了制備氧化 鋅空心球?qū)?shí)驗(yàn)條件要求高，不易控制等問題，并且沒有添加任何催化劑或載 氣，降低了成本，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。


圖1為蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球的XRD圖譜； 圖2為950 °C時(shí)蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球的SEM照片； 圖3為955 °C時(shí)蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球的SEM照片； 圖4為960 °C時(shí)蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球的SEM照片； 圖5為970 °C時(shí)蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球的SEM照片； 圖6為980 °C時(shí)蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球的SEM照片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l.
1) 將長(zhǎng)120 cm的石英管插入水平安放好的管式爐中，然后將管式爐升溫 至950。C，保溫20min左右，達(dá)到穩(wěn)定的溫度；
2) 在小石英舟中間部位均勻平鋪一層約1 mm厚的Zn粉，然后將石英舟 推入石英管爐膛距離加熱電阻絲約5cm處的位置，使Zn粉在受熱條件下形成 Zn蒸氣；
3) 保溫3min后，將石英舟平穩(wěn)勻速拉動(dòng)，在自然氣流的作用下，小石英 舟內(nèi)的Zn蒸氣流向石英管口的位置，同時(shí)可以看到Zn粉發(fā)生燃燒；
4) 15 s后將石英舟拉出石英管，可以看到管內(nèi)的氧化鋅產(chǎn)物由紅色瞬間變 成黃色，隨即又變成白色，最后得到白色產(chǎn)物，即氧化鋅空心球，有部分氧化 鋅晶須，如圖2所示。
實(shí)施例2.
1) 將長(zhǎng)120 cm的石英管插入水平安放好的管式爐中，然后將管式爐升溫 至955 。C，保溫30min左右，達(dá)到穩(wěn)定的溫度；
2) 在小石英舟中間部位均勻平鋪一層約1 mm厚的Zn粉，然后將石英舟推 入石英管爐膛距離加熱電阻絲約6 cm處的位置，使Zn粉在受熱條件下形成 Zn蒸氣；
3) 保溫lmin后，將石英舟平穩(wěn)勻速拉動(dòng)，在自然氣流的作用下，小石英 舟內(nèi)的Zn蒸氣流向石英管口的位置，同時(shí)可以看到Zn粉發(fā)生燃燒；
4) 20s后將石英舟拉出石英管，可以看到管內(nèi)的氧化鋅產(chǎn)物由紅色瞬間變 成黃色，隨即又變成白色，最后得到白色產(chǎn)物，即氧化鋅空心球，有少量的氧 化鋅晶須，如圖3所示。
實(shí)施例3.
1) 將長(zhǎng)120 cm的石英管插入水平安放好的管式爐中，然后將管式爐升溫 至960'C，保溫40min左右，達(dá)到穩(wěn)定的溫度；
2) 在小石英舟中間部位均勻平鋪一層約1 mm厚的Zn粉，然后將石英舟推 入石英管爐膛距離加熱電阻絲約7 cm處的位置，使Zn粉在受熱條件下形成 Zn蒸氣；
3) 保溫3min后，將石英舟平穩(wěn)勻速拉動(dòng)，在自然氣流的作用下，小石英舟內(nèi)的Zn蒸氣流向石英管口的位置，同時(shí)可以看到Zn粉發(fā)生燃燒；
4) 10s后將石英舟拉出石英管，可以看到管內(nèi)的氧化鋅產(chǎn)物由紅色瞬間變 成黃色，隨即又變成白色，最后得到白色產(chǎn)物，即氧化鋅空心球，如圖4所示。 實(shí)施例4.
1) 將長(zhǎng)120 cm的石英管插入水平安放好的管式爐中，然后將管式爐升溫 至97(TC，保溫35min左右，達(dá)到穩(wěn)定的溫度；
2) 在小石英舟中間部位均勻平鋪一層約1 mm厚的Zn粉，然后將石英舟推 入石英管爐膛距離加熱電阻絲約8 cm處的位置，使Zn粉在受熱條件下形成 Zn蒸氣；
3) 保溫2min后，將石英舟平穩(wěn)勻速拉動(dòng)，在自然氣流的作用下，小石英 舟內(nèi)的Zn蒸氣流向石英管口的位置，同時(shí)可以看到Zn粉發(fā)生燃燒；
4) 20s后將石英舟拉出石英管，可以看到管內(nèi)的氧化鋅產(chǎn)物由紅色瞬間變 成黃色，隨即又變成白色，最后得到白色產(chǎn)物，即氧化鋅空心球，有部分氧化 鋅晶須，如圖5所示。
實(shí)施例5.
1) 將長(zhǎng)120 cm的石英管插入水平安放好的管式爐中，然后將管式爐升溫 至98(TC，保溫30min左右，達(dá)到穩(wěn)定的溫度；
2) 在小石英舟中間部位均勻平鋪一層約1 mm厚的Zn粉，然后將石英舟推 入石英管爐膛距離加熱電阻絲約10 cm處的位置，使Zn粉在受熱條件下形成 Zn蒸氣；
3) 保溫2min后，將石英舟平穩(wěn)勻速拉動(dòng)，在自然氣流的作用下，小石英 舟內(nèi)的Zn蒸氣流向石英管口的位置，同時(shí)可以看到Zn粉發(fā)生燃燒；
4) 20s后將石英舟拉出石英管，可以看到管內(nèi)的氧化鋅產(chǎn)物由紅色瞬間變 成黃色，隨即又變成白色，最后得到白色產(chǎn)物，產(chǎn)物中只有少量氧化鋅空心球， 大部分是氧化鋅晶須，如圖6所示。
權(quán)利要求
1.蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球，其特征在于以Zn粉為原料，通過蒸氣氧化法在水平管式爐中制備出氧化鋅空心球。
2. 蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球的制備方法，其特征在于具體制備步驟為1) 將石英管插入水平安放好的管式爐中，然后將管式爐升溫至950 980°C，保溫至達(dá)到穩(wěn)定的溫度；2) 在小石英舟中間部位均勻平鋪一薄層Zn粉，推入石英管爐膛距離加熱電阻絲約5 10cm處的位置，使Zn粉在受熱的條件下形成Zn蒸氣；3) 保溫l 3min后，將石英舟平穩(wěn)勻速拉動(dòng)，在自然氣流的作用下，小石英舟內(nèi)的Zn蒸氣流向石英管口的位置，同時(shí)可以看到Zn粉發(fā)生燃燒；4) 10 20s后將石英舟拉出石英管，可以看到管內(nèi)的氧化鋅產(chǎn)物由紅色瞬間變成黃色，隨即又變成白色，最后得到白色產(chǎn)物，即氧化鋅空心球。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球的制備方法，其特征在于反應(yīng)溫度960°C，保溫時(shí)間2min，拉出時(shí)間10 s為最佳技術(shù)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及蒸氣氧化法合成氧化鋅空心球及制備方法，屬于先進(jìn)材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明以Zn粉為原料，先將石英管插入水平安放好的管式爐中，然后將管式爐升溫至940～980℃，保溫至達(dá)到穩(wěn)定的溫度。然后將平鋪一薄層Zn粉的小石英舟推入石英管爐膛的位置，使Zn粉在受熱條件下形成Zn蒸氣。保溫1～3min后，將石英舟平穩(wěn)勻速拉動(dòng)，10～20s后將石英舟拉出石英管，得到白色的氧化鋅空心球。本發(fā)明由于采用了上述蒸氣氧化法，嚴(yán)格控制工藝條件，解決了制備氧化鋅空心球?qū)?shí)驗(yàn)條件要求高，不易控制等問題，并且沒有添加任何催化劑或載氣，降低了成本，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。
文檔編號(hào)C01G9/03GK101665264SQ200910180509
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者張德慶, 曹茂盛, 王大偉, 杰 袁 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)