形貌可控ZnO的制备与表征

杨　戈

(上海策远工程技术有限公司，上海　201100)



形貌可控ZnO的制备与表征

杨戈

(上海策远工程技术有限公司，上海201100)

以硝酸锌和氢氧化钠为原料，采用水热法制备了不同形貌的ZnO。研究了水热反应时间、溶液的pH值等对材料形貌的影响。采用SEM和XRD等对其进行了表征，结果显示溶液的pH值对材料的形貌影响较大，当溶液的pH值较大时，得到棒状的ZnO；当溶液的pH值变小时，得到花瓣形的ZnO,虽然形貌不同，但所得样品的晶体构型都为纤锌矿结构，并对ZnO的形成机理进行了初步的探讨。

氧化锌；水热法；形貌控制；纳米花；纳米棒

材料的性能与所采用的合成方法和制备过程密切相关，不同的合成方法和制备过程会使样品的结构、形貌、样品组成、结晶性等出现极大的差异，进而影响其性能因此研究不同形貌材料的可控合成具有重要意义。ZnO是一种宽禁带直接带隙的半导体材料，室温下的带隙为3.37 eV，特别是纤锌矿结构的ZnO，是一种非常重要的Ⅱ-Ⅳ族无机化合物，常温下比其他的半导体材料更稳定，光电学性能更优良，激子束缚能高达60 meV。具有优异的光学、电学、机械性能、化学稳定性和热稳定性[1]。该材料来源广、毒性小、成本低、制备简单且具有生物相容性，广泛地应用在涂料工业、橡胶工业、光电材料、催化剂等领域[2-5]。

水热法是制备微纳米材料的一种良好的手段[6]，本文以硝酸锌为锌源，利用水热法来制备纳米ZnO，通过改变溶液的pH值、水热反应时间来制备样品，采用扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)来观察样品的形貌和晶型结构，并对材料的形成机理进行了初步的探讨。

1　实　验

所用化学试剂均为分析纯，汕头西陇化工有限公司；配置溶液所用的水为去离子水。将Zn(NO3)2配制成0.5 mol/L的水溶液，加入浓度为10 mol/L的NaOH溶液。开始时烧杯中出现大量的絮状沉淀，用玻璃棒不断搅拌至溶液澄清，溶液的pH值为13。取上述溶液5 mL加入50 mL去离子水，超声30 min。将超声后的溶液转移至反应釜中，密封。把反应釜放入恒温干燥箱中，在200 ℃下反应25 h，待冷却后打开反应釜，用去离子水洗涤产物3～5次后干燥，所得样品为A；保持其他条件不变，加入NaOH浓度为5 mol/L，所得样品为B；保持其他条件不变，缩短水热反应时间为20 h，所制备的样品为C。

2　结果与讨论

2.1样品的SEM图谱

采用KYKY-2800B型扫描电子显微镜(SEM,北京中科科仪技术发展有限责任公司, 加速电压为15 kV)观察样品的形貌，结果如图1所示，其中D为样品B的局部放大的图谱。

由图1可以看出，根据所设定的实验条件，当NaOH浓度为10 mol/L、水热反应时间为25 h时，可以得到呈棒状结构的ZnO，且棒的长度较长，相对均匀，表面光滑；当NaOH浓度为5 mol/L、水热反应时间为25 h时，所得产物中出现不均匀的聚集为球形结构，并且有花状结构生成，花的形状为棒状的花瓣以一点为中心，放射状向外生长；当NaOH浓度为10 mol/L、水热反应时间为20 h时，所得材料的结构仍为棒状，但是表面不是很光滑，长度的均一性较差。

图1　不同条件下制备的ZnO的SEM图谱

2.2样品的XRD表征

采用X-射线衍射仪XRD(Rigaku D/Max2500PC, 功率为18 kV, 选用Cu Kα辐射,) 对所制备的样品进行物相组成及结构分析，所得的XRD图谱如图2所示。

图2　不同条件下所得样品的XRD图谱

通过图2可以看出，通过与ZnO的标准XRD图谱对比，所制备样品的晶体构型为纤锌矿结构，基于在30°～40°出现三个明显的峰形尖锐、强度较大的衍射峰，尤其以36.3°处出现的峰强度最大，说明该方法制备的样品结晶度高，晶体优先沿着(101)晶面方向生长，所得样品都为纯净的ZnO，没有杂质相存在。同时也说明采用水热法合成ZnO时得到的样品具有纯度高、分散性好，晶体的内部缺陷少和热应力较小等特点。样品C虽然水热反应时间较短，但是所得的XRD图谱与A几乎一样。在A和B两种样品中，样品A的峰更尖锐，晶型结构更好。

2.3反应机理的初步分析

3　结　论

以硝酸锌为锌源，采用水热法合成了具有纤锌矿结构的ZnO，所得材料纯净，没有杂质相存在。研究发现改变反应釜的水热反应时间或者改变溶液的pH值，材料的形貌会发生改变，随着溶液pH值的降低，材料由棒状结构向花型结构转变，同时改变恒温时间，样品的形貌稍有变化。材料的形貌和结构对其性能有很大的影响，合理地控制合成条件，就可以制备出符合要求的样品。

[1]詹国平,黄可龙,刘素琴.纳米氧化锌的制备与应用[J].化学工程，2011,86(5):26-27.

[2]汤国虎,叶巧明,连红芳,等.氧化锌纳米粉体的应用[J].陶瓷,2003,16(4):15-17.

[3]康雪雅,宋世庚,韩英,等.ZnO纳米粉对压敏陶瓷材料显微结构和电子特性的影响[J].材料研究学报,1996,10(5):529-535.

[4]S Hingorani, V Pillar,P Humar,et al.Mi-croemulsion mediated synthesis of Zinc oxide nanoparticles for varistor[J].Mat. Res.Bull,1993,28:1303-1310.

[5]沈茹娟,贾殿增,乔水民,等.纳米ZnO的故相合成及其气敏特性[J].无机材料学报,2001,16(4):625-629.

[6]张绍岩,丁士文,刘淑娟,等.均相沉淀法合成纳米ZnO及其光催化性能的研究[J].化学学报,2002，25(7):1225-1229.

[7]李汶军,施尔畏,郑燕青,等．氧化物晶体的成核机理与晶粒粒度[J].无机材料学报，2000,15(5):777-786.

Shape-controlled Synthesis and Characterization of Zinc Oxide

YANG Ge

(Shanghai Ceyuan Engineering Technology Co., Ltd., Shanghai 201100, China)

ZnO particles with different morphologies were prepared through hydro-thermal method with zinc nitrate and sodium hydroxide. The effects of hydro-thermal reaction time and pH value of the solution on the morphology of the samples were studied. The samples were characterized by SEM, X-ray diffraction(XRD) to detect and analyze their structures and components. It revealed that pH value of the solution had greater impact on the morphology of the samples than hydro-thermal reaction time. The morphology of the sample was rod when pH value of the solution became high, but the sample became flower when pH value of the solution became low, the crystal forms of samples were wurtzite phases although the morphologies of samples were different. Moreover, the corresponding reaction mechanisms of several products were discussed simply.

zinc oxide; hydrothermal method; controllable morphology; nanometer flower; nanometer stick

杨戈(1969-)，男，工程师，主要从事化工医药工程设计。

TQ125

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1001-9677(2016)016-0099-02