制备高比表面积氧化锌复合材料的方法及该氧化锌复合材料技术

本发明专利技术提供了一种制备高比表面积氧化锌复合材料的方法及该氧化锌复合材料。该方法包括：（1）配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液；（2）静电纺丝；（3）煅烧，将步骤（2）所得聚乙烯类聚合物/锌盐纤维膜连同基底一起进行煅烧，煅烧条件为：按照2-10℃/min的升温速率升温至500-600℃，恒温煅烧1-6小时；然后冷却到室温，得到氧化锌纳米膜，所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成；以及（4）生长氧化锌纳米柱阵列，得到氧化锌纳米膜-氧化锌纳米柱阵列的复合材料。本发明专利技术增加了氧化锌纳米柱阵列单位体积里的比表面积。

【技术实现步骤摘要】
制备高比表面积氧化锌复合材料的方法及该氧化锌复合材料
本专利技术涉及纳米氧化锌的制备领域，尤其是涉及一种高比表面积的氧化锌复合材料的制备方法及该氧化锌复合材料。
技术介绍
2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机-纳米发电机。纳米发电机的基本原理是：当纳米线(NWs，例如氧化锌纳米线)在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。常规生长氧化锌纳米线的方法为化学生长方法，例如水热法，使氧化锌纳米线在带有种子层的金属层基底表面生长。以往，在氧化锌纳米线生长过程中，培养液中产生的气泡上升到溶液表面且时常被面朝下的基底表面捕获，抑制了氧化锌纳米线在大面积金属层基底表面上均匀生长。
技术实现思路
常规生长纳米线的方法，例如水热法，氧化锌纳米线在金属层基底表面生长取向度较差，比表面积不高。本专利技术解决的技术问题是提供一种制备氧化锌复合材料的方法及该氧化锌复合材料，增加了氧化锌纳米柱阵列单位体积里的比表面积。本专利技术采用静电纺丝法在基底上生成氧化锌纳米膜，经煅烧后，在生成的六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米膜表面上以每根氧化锌纳米线为轴生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列，该氧化锌纳米柱是在(001)面优势取向的六角柱。由于合成的氧化锌纳米柱(六角柱)的宽高比较高，可以增加氧化锌纳米柱阵列单位体积里的比表面积。本专利技术所得氧化锌可以用于LED、太阳能电池或光催化表面等。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的第一技术方案是：一种制备氧化锌复合材料的方法，该方法包括以下步骤：(1)配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液将聚乙烯类聚合物加入到溶剂中，待聚乙烯类聚合物溶解后，向液体中加入锌盐，然后混合均匀得到静电纺丝液；其中，聚乙烯类聚合物与锌盐的重量比为1-5：0.5-3；(2)静电纺丝将步骤(1)所得静电纺丝液加入到静电纺丝装置中，然后将静电纺丝液注射到基底上进行静电纺丝，在基底上获得聚乙烯类聚合物/锌盐纤维膜纤维纺丝；(3)煅烧将步骤(2)所得聚乙烯类聚合物/锌盐纤维膜连同基底一起进行煅烧，煅烧条件为：按照2-10℃/min的升温速率升温至500-600℃，恒温煅烧1-6小时；然后冷却到室温，得到氧化锌纳米膜，所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成；以及(4)生长氧化锌纳米柱阵列以步骤(3)所得氧化锌纳米膜为种子层，在所述种子层上以每根氧化锌纳米线为轴，生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列，得到氧化锌纳米膜-氧化锌纳米柱阵列的复合材料。前述的制备氧化锌复合材料的方法，步骤(1)中，所述锌盐是醋酸锌、硝酸锌、草酸锌及它们的水合物；所述溶剂是甲基甲酰胺(DMF),乙醇(ethanol)或四氢呋喃(THF)；所述聚乙烯类聚合物是聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。前述的制备氧化锌复合材料的方法，步骤(1)中，在静电纺丝液中掺杂氧化物或金属，氧化物是Al2O3或SnO2，金属是Ag、Au、Pt或Cu。前述的制备氧化锌复合材料的方法，步骤(2)中，在电压为10kV-20kV，接收距离为8cm-20cm，推动速度0.1ml/hr-1ml/hr条件下，将静电纺丝液注射到基底上进行静电纺丝。前述的制备氧化锌复合材料的方法，纺丝时间为30秒到10分钟。前述的制备氧化锌复合材料的方法，步骤(3)中，所述氧化锌纳米线的直径为200nm-300nm。前述的制备氧化锌复合材料的方法，步骤(4)中，采用水热合成法或微波加热法，在含氢氧源的锌盐溶液中，以每根氧化锌纳米线为轴生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列。前述的制备氧化锌复合材料的方法，所述含氢氧源的锌盐溶液是醋酸锌、硝酸锌或草酸锌的水溶液；所用氢氧源是氢氧化钠、氨水、碳酸铵、或六亚甲基四胺。前述的制备氧化锌复合材料的方法，步骤(4)中，所述水热合成法为：在80-100℃下，在含氢氧源的锌盐溶液中，以每根氧化锌纳米线为轴生长氧化锌纳米柱2-12小时。前述的制备氧化锌复合材料的方法，步骤(4)中，所述氧化锌纳米柱是(001)面优势取向的六角柱，所述六角柱横截面最大宽度为200nm-300nm，六角柱高度为2-3μm。前述的制备氧化锌复合材料的方法，所述氧化锌复合材料的厚度是5-8μm。前述的制备氧化锌复合材料的方法，步骤(2)中，该方法还包括得到纤维纺丝有序排列的聚乙烯类聚合物/锌盐纤维膜。前述的制备氧化锌复合材料的方法，静电纺丝之前，将基底放置在载体的容置腔中；其中，该载体包括第一载体底材，设置在第一载体底材一侧表面的第二载体底材和第三载体底材，第二载体底材和第三载体底材平行并间隔设置，在第二载体底材上设有第一金属条，在第三载体底材上设有第二金属条，第一金属条与第二金属条平行设置；第二载体底材和第一金属条，与第三载体底材和第二金属条之间形成容置腔。前述的制备氧化锌复合材料的方法，所述第一金属条和第二金属条所用材质是铝箔、铜箔、铝片或铜片；所述第一载体底材、第二载体底材和第三载体底材所用材质是绝缘材料，例如玻璃。前述的制备氧化锌复合材料的方法，所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线平行构成。前述的制备氧化锌复合材料的方法，每立方微米氧化锌纳米膜平均由2-3根氧化锌纳米线构成，氧化锌纳米柱彼此交缠。本专利技术提供的第二技术方案是：一种氧化锌复合材料，采用上述任一项方法制成。本专利技术提供的第三技术方案是：一种氧化锌复合材料，包括氧化锌纳米膜和氧化锌纳米柱阵列；所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成，氧化锌纳米柱以每根氧化锌纳米线为轴生长，构成所述氧化锌纳米柱阵列，所述氧化锌纳米柱是(001)面优势取向的六角柱。前述的氧化锌复合材料，所述六角柱横截面最大宽度为200-300nm，六角柱高度为2-3μm。前述的氧化锌复合材料，所述氧化锌纳米线的直径为200-300nm。前述的氧化锌复合材料，所述氧化锌纳米膜经由煅烧静电纺丝聚乙烯类聚合物/锌盐纤维膜制成。前述的氧化锌复合材料，所述氧化锌复合材料的厚度为5-8μm。前述的氧化锌复合材料，所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的的氧化锌纳米线平行构成。前述的氧化锌复合材料，每立方微米氧化锌纳米膜平均由2-3根氧化锌纳米线构成，氧化锌纳米柱彼此交缠。本专利技术所得氧化锌复合材料，在经煅烧成六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米膜种子层上，以每根的氧化锌纳米线为轴生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列，氧化锌纳米柱生长成(001)面优势取向的六角柱。由于合成氧化锌纳米柱的宽高比较高，可以增加单位体积里的表面积。本专利技术所得氧化锌复合材料可用于以ZnO为基础的LED、太阳能电池、光催化表面等。本专利技术氧化锌复合材料制备工艺简单。附图说明图1是静电纺丝经煅烧后由氧化锌纳米线构成的氧化锌纳米膜XRD谱图，其中氧化锌沉积在镀金的硅芯片上。图2是第一具体实施方式静电纺丝经煅烧后由氧化锌纳米线构成的氧化锌纳米膜光学显微镜(1000倍)下的形貌图。图3是第一具体实施方式静电纺丝经煅烧后由氧化锌纳米线构成的氧化锌纳米膜SEM(10000倍)下的形貌图。图4是本专利技术第二具体实施方式所用基底的载体示意图。图5是本专利技术第二具体实施方式所用基底的载体剖面示意图。图6是在本专利技术第二具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备氧化锌复合材料的方法，该方法包括以下步骤：（1）配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液将聚乙烯类聚合物加入到溶剂中，待聚乙烯类聚合物溶解后，向液体中加入锌盐，然后混合均匀得到静电纺丝液；其中，聚乙烯类聚合物与锌盐的重量比为1‑5：0.5‑3；（2）静电纺丝将步骤（1）所得静电纺丝液加入到静电纺丝装置中，然后将静电纺丝液注射到基底上进行静电纺丝，在基底上获得聚乙烯类聚合物/锌盐纤维膜；（3）煅烧将步骤（2）所得聚乙烯类聚合物/锌盐纤维膜连同基底一起进行煅烧，煅烧条件为：按照2‑10℃/min的升温速率升温至500‑600℃，恒温煅烧1‑6小时；然后冷却到室温，得到氧化锌纳米膜，所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成；以及（4）生长氧化锌纳米柱阵列以步骤（3）所得氧化锌纳米膜为种子层，在所述种子层上以每根氧化锌纳米线为轴，生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列，得到氧化锌纳米膜‑氧化锌纳米柱阵列的复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备氧化锌复合材料的方法，该方法包括以下步骤：(1)配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液将聚乙烯类聚合物加入到溶剂中，待聚乙烯类聚合物溶解后，向液体中加入锌盐，然后混合均匀得到静电纺丝液；其中，聚乙烯类聚合物与锌盐的重量比为1-5：0.5-3；(2)静电纺丝将步骤(1)所得静电纺丝液加入到静电纺丝装置中，然后将静电纺丝液注射到基底上进行静电纺丝，在基底上获得聚乙烯类聚合物/锌盐纤维膜；(3)煅烧将步骤(2)所得聚乙烯类聚合物/锌盐纤维膜连同基底一起进行煅烧，煅烧条件为：按照2-10℃/min的升温速率升温至500-600℃，恒温煅烧1-6小时；然后冷却到室温，得到氧化锌纳米膜，所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成；以及(4)生长氧化锌纳米柱阵列以步骤(3)所得氧化锌纳米膜为种子层，在所述种子层上以每根氧化锌纳米线为轴，生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列，得到氧化锌纳米膜-氧化锌纳米柱阵列的复合材料；其中，静电纺丝之前，将基底放置在载体的容置腔中；其中，该载体包括第一载体底材，设置在第一载体底材一侧表面的第二载体底材和第三载体底材，第二载体底材和第三载体底材平行并间隔设置，在第二载体底材上设有第一金属条，在第三载体底材上设有第二金属条，第一金属条与第二金属条平行设置；第二载体底材和第一金属条，与第三载体底材和第二金属条之间形成容置腔。2.根据权利要求1所述的制备氧化锌复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述锌盐是醋酸锌、硝酸锌、草酸锌及它们的水合物；所述溶剂是甲基甲酰胺DMF,乙醇ethanol或四氢呋喃THF；所述聚乙烯类聚合物是聚乙烯醇PVA或聚乙烯吡咯烷酮PVP。3.根据权利要求1或2所述的制备氧化锌复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，在静电纺丝液中掺杂氧化物或金属，氧化物是Al2O3或SnO2，金属是Ag、Au、Pt或Cu。4.根据权利要求1所述的制备氧化锌复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，在电压为10kV-20kV，接收距离为8cm-20cm，推动速度0.1ml/hr-1ml/hr条件下，将静电纺丝液注射到基底上进行静电纺丝。5.根据权利要求4所述的制备氧化锌复合材料的方法，其特征在于，纺丝时间为30秒到10分钟。6.根据权利要求1所述的制备氧化锌复合材料的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述氧化锌纳米线的直径为200nm-300nm。7.根据权利要求1所述的制备氧化锌复合材料的方法，其特征在于，步骤(4)中，采用水热合成法或微波加热法，在含氢氧源的锌盐溶液中，以每根氧化锌纳米线为轴生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列。8.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶柏盈，赵利民，
申请(专利权)人：纳米新能源唐山有限责任公司，
类型：发明
国别省市：河北;13