一种掺杂了过渡金属或稀土金属的盘状氧化锌的可控合成方法技术

本发明专利技术公开了一种掺杂了过渡金属或稀土金属的盘状氧化锌的可控合成方法。该方法包括如下步骤：在温度为85℃~95℃下，以醋酸锌和六亚甲基四胺为原料，加入不同的金属盐，合成不同金属掺杂的盘状氧化锌。所述金属掺杂的盘状氧化锌的粒径在0.5~6.5um，厚度在0.2~3.75um可控调变。最后的溶液中，掺杂的金属与醋酸锌的摩尔浓度比为0.5%~4.3%。该发明专利技术方法实现了金属掺杂的同时调控盘状氧化锌的尺寸、厚薄，从而调节氧化锌的禁带宽度、吸光性质、发光性质以及氧空位的种类和数量。此外，该发明专利技术方法具有造价低廉，反应条件温和，颗粒均一，能耗小，工艺简单，可控性好，可大面积合成且无污染，纯度高，物相分布均匀的优点，能够进行工业化生产。

Controllable synthesis method of novel disk Zinc Oxide doped with transition metal or rare earth metal

The invention discloses a controllable synthesis method of a new disk type Zinc Oxide doped with transition metal or rare earth metal. The method comprises the following steps of: adding 85 different kinds of metal salts and adding different metal salts to synthesize the different metal doped disc Zinc Oxide at the temperature of ~95 DEG C and the temperature of six DEG C. The particle size of the metal doped Zinc Oxide is 0.5~6.5um, and the thickness of the 0.2~3.75um is controllable. In the final solution, the molar ratio of the doped metal to zinc acetate was 0.5%~4.3%. The method of the invention realizes the control of the size and the thickness of the Zinc Oxide by the metal doping, so as to adjust the band gap, the light absorption property, the luminescent property and the type and the quantity of the oxygen vacancy of the Zinc Oxide. In addition, the method of the invention has low cost, mild reaction conditions, uniform particles, low energy consumption, simple process, good controllability, large area synthesis and no pollution, has the advantages of high purity, uniform phase distribution, can carry out industrial production.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属掺杂半导体微米材料制备领域，具体涉及一种过渡金属或稀土金属掺杂的新型微米盘状氧化锌的可控制备方法。
技术介绍
氧化锌材料是一种重要的II-VI族直接带隙半导体材料，在室温下，它的禁带宽度为3.37ev，激子束缚能达60meV，具有较高的稳定性。由于它对可见光的高透过率，能用作透明导电涂层；具有光电效应，能用于紫外激光器件和太阳能电池等；具有热电和压电等效应，可以用作热敏和压敏器件。作为一种多功能材料，其多种特性使它在很多方面都有应用的潜力，例如在煤气脱硫、合成气制甲醇等传统的热催化、光催化、光电器件、气敏传感器、橡胶改性等领域研究应用广泛。此外，氧化锌的原材料在地球上含量丰富，价格相对低廉，更为重要的是它是一种对环境友好的材料，不会产生污染等问题，因而逐渐成为研究人员研究的热点。文献报道Co掺杂时，氧化锌薄膜表现出对乙醛蒸气的良好的传感响应，这可以应用于乙醛蒸气的选择性检测(Shalini,S.,&Balamurugan,D.(2016).Ambient temperature operated acetaldehyde vapour detection of spray deposited cobalt doped zinc oxide thin film.Journal Of Colloid And Interface Science,466,352-359.doi:10.1016/j.jcis.2015.12.044)；碱土金属离子镁掺杂会使氧化锌的带隙宽增加，在500–600nm范围内，还会使其吸光率与反射率下降，因为镁的2p能级被激发了(Si,X.,Liu,Y.,Lei,W.,Xu,J.,Du,W.,Lin,J.,...Zheng,L.(2016).First-principles investigation on the optoelectronic performance of Mg doped and Mg-Al co-doped ZnO.Materials&Design,93,128-132.doi:10.1016/j.matdes.2015.12.033)；Na掺杂使Zn产生局部磁矩，能够有效地稳定ZnO薄膜中由于阳离子缺陷引起的室温铁磁性，这可以成为制备氧化锌高温磁性半导体的方法(Ghosh,GobindaGopalKhan,ShikhaVarma et al.Influence of Film Thickness and Oxygen Partial Pressure on Cation-Defect-Induced Intrinsic Ferromagnetic Behavior in Luminescent p-Type Na-Doped ZnO Thin Films[J].ACS applied materials&amp；interfaces,2013,5(7):2455-2461.)；Al掺杂会使ZnO的电导率提高几个数量级，可作为一种典型的透明导电氧化物(TCO)材料(华南理工大学.一种高电导率铝掺杂氧化锌纳米粉体的制备方法:中国,CN201310461981.5[P].2014-1-8.)；Mn等材料掺杂的ZnO，具有磁性(自旋)，以及半导体性能，可作为稀磁半导体材料，在信息
有广泛应用(Varshney,D.,&Dwivedi,S.(2016).Structure,morphology,optical and magnetic response of ZnO,Mn3O4 and doped Zn0.5Mn0.5O nanoparticles as-synthesized using a chemical co-precipitation method.Semiconductor Science And Technology,31(3).doi:10.1088/0268-1242/31/3/035017)；铈掺杂的氧化锌具有较高的气体灵敏度(Renganathan,B.,Sastikumar,D.,Gobi,G.,Yogamalar,N.R.,&Bose,A.C.(2011).Gas sensing properties of a clad modified fiber optic sensor with Ce,Li and Al doped nanocrystalline zinc oxides.Sensors And Actuators B-Chemical,156(1),263-270.doi:10.1016/j.snb.2011.04.031)。ZnO中掺入铜元素将导致无辐射跃迁的增强,所以铜掺杂降低了ZnO薄膜的发光效率,具有明显的发光猝灭效应(何静芳,郑树凯,周鹏力,史茹倩,闫小兵.Cu-Co共掺杂ZnO光电性质的第一性原理计算[J].物理学报,2014,(04):251-257.)；因此，过渡金属及稀土金属掺杂可有效调变氧化锌的磁学与光学性质。氧化锌晶体具有极性表面，这种极性面具有相对较高的表面能，因此在氧化锌的不同晶面上存在着这种晶面生长速度的差异，导致最终形成不同的氧化锌晶体形貌，而不同形貌的纳米氧化锌暴露在外的极性面与非极性面的比例并不相同，会极大地影响氧化锌的特性和应用。盘状氧化锌是通过抑制氧化锌的极性表面的生长而形成的，这样可以使其极性表面的面积尽量大。这样的特性对于一些反应的催化效率会有显著的优势，比如:负载铜锌催化剂的盘状氧化锌可以作为合成甲醇的催化剂，催化活性结果表明，此类催化剂在二氧化碳催化氢化合成甲醇的有机催化反应中，甲醇选择性达到70％以上(赵晓晓,高志华,郝树宏,黄伟.不同形貌纳米氧化锌的制备及其对有机催化反应活性的影响研究进展[J].化工进展,2014,(S1):210-215.)。因此，提出发展过渡金属及稀土金属掺杂盘状氧化锌的可控合成方法。然而到目前为止，盘状氧化锌的掺杂方法主要是后掺杂法，即先制备盘状氧化锌然后再进行金属掺杂，该方法不仅耗时耗力，也给合成过程增加了难度。同时，由于氧化锌是两性物质，在后掺杂过程中盘状氧化锌的形貌难以保持。有鉴于此，我们采用在水热合成盘状氧化锌的过程中直接掺入不同的金属，并对其尺寸厚薄进行控制，同时实现了对其禁带宽度、吸光性质、发光性质以及氧空位的种类和数量等性质的调变。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低成本、无污染、不需高温、以及大规模制备掺杂了过渡金属或稀土金属的盘状氧化锌的水热可控合成方法。为了实现本专利技术的目的，采用如下的技术方案：在温度为85℃～95℃下，以醋酸锌和六亚甲基四胺为基础原料，分别加入不同种类及浓度的金属盐，水热合成不同金属掺杂的盘状氧化锌。一种掺杂了过渡金属或稀土金属的新型盘状氧化锌的可控合成方法，该方法包括如下步骤:1)配置前驱体溶液：用去离子水溶解醋酸锌与金属掺杂前驱体，并加入六亚甲基四胺，搅拌溶解，混合均匀，得到混合溶液；2)水热合成：将步骤1)配制好的混合溶液置于反应釜或者密闭的烧杯中，并放入水热合成烘箱，反应结束后，取出反应容器，进行骤冷至室温；3)离心干燥：倒出反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂了过渡金属或稀土金属的新型盘状氧化锌的可控合成方法，其特征在于，该方法包括：在温度为85℃~95℃下，以醋酸锌和六亚甲基四胺为原料，分别加入不同种类及浓度的金属盐，水热合成不同金属掺杂的盘状氧化锌。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂了过渡金属或稀土金属的新型盘状氧化锌的可控合成方法，其特征在于，该方法包括：在温度为85℃~95℃下，以醋酸锌和六亚甲基四胺为原料，分别加入不同种类及浓度的金属盐，水热合成不同金属掺杂的盘状氧化锌。2.根据权利要求1所述的一种掺杂了过渡金属或稀土金属的新型盘状氧化锌的可控合成方法，其特征在于，包括如下步骤：1）配置前驱体溶液：用去离子水溶解醋酸锌与金属掺杂前驱体，并加入六亚甲基四胺，搅拌溶解，混合均匀，得到混合溶液；2）水热合成：将步骤1）配制好的混合溶液置于反应釜或者密闭的烧杯中，并放入水热合成烘箱中，反应结束后，取出反应容器，进行骤冷至室温；3）离心干燥：倒出反应后的上层液体且留下附着在反应釜或烧杯底部的白色沉淀物，用去离子水和乙醇依次对沉淀物进行离心洗涤，最后在温度为55~75℃的烘箱中烘干，即得到金属掺杂的新型盘状氧化锌。3.根据权利要求2所述的一种掺杂了过渡金属或稀土金属的新型盘状氧化锌的可控合成方法，其特征在于，步骤1）中最终得到的溶液中，所述醋酸锌浓度为0.23~0.76mol/L，六亚甲基四胺浓度为0.04~0.76mol/L。4.根据权利要求2所述的一种掺杂了过渡金属或...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈礼敏，张宇筠，鞠敏，孙玉海，叶代启，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44