楊　戈

(上海策遠工程技術有限公司，上海　201100)

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形貌可控ZnO的制備與表征

楊戈

(上海策遠工程技術有限公司，上海201100)

以硝酸鋅和氫氧化鈉為原料，采用水熱法制備了不同形貌的ZnO。研究了水熱反應時間、溶液的pH值等對材料形貌的影響。采用SEM和XRD等對其進行了表征，結果顯示溶液的pH值對材料的形貌影響較大，當溶液的pH值較大時，得到棒狀的ZnO；當溶液的pH值變小時，得到花瓣形的ZnO,雖然形貌不同，但所得樣品的晶體構型都為纖鋅礦結構，并對ZnO的形成機理進行了初步的探討。

氧化鋅；水熱法；形貌控制；納米花；納米棒

材料的性能與所采用的合成方法和制備過程密切相關，不同的合成方法和制備過程會使樣品的結構、形貌、樣品組成、結晶性等出現(xiàn)極大的差異，進而影響其性能因此研究不同形貌材料的可控合成具有重要意義。ZnO是一種寬禁帶直接帶隙的半導體材料，室溫下的帶隙為3.37 eV，特別是纖鋅礦結構的ZnO，是一種非常重要的Ⅱ-Ⅳ族無機化合物，常溫下比其他的半導體材料更穩(wěn)定，光電學性能更優(yōu)良，激子束縛能高達60 meV。具有優(yōu)異的光學、電學、機械性能、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[1]。該材料來源廣、毒性小、成本低、制備簡單且具有生物相容性，廣泛地應用在涂料工業(yè)、橡膠工業(yè)、光電材料、催化劑等領域[2-5]。

水熱法是制備微納米材料的一種良好的手段[6]，本文以硝酸鋅為鋅源，利用水熱法來制備納米ZnO，通過改變?nèi)芤旱膒H值、水熱反應時間來制備樣品，采用掃描電子顯微鏡(SEM)和X-射線衍射(XRD)來觀察樣品的形貌和晶型結構，并對材料的形成機理進行了初步的探討。

1　實　驗

所用化學試劑均為分析純，汕頭西隴化工有限公司；配置溶液所用的水為去離子水。將Zn(NO3)2配制成0.5 mol/L的水溶液，加入濃度為10 mol/L的NaOH溶液。開始時燒杯中出現(xiàn)大量的絮狀沉淀，用玻璃棒不斷攪拌至溶液澄清，溶液的pH值為13。取上述溶液5 mL加入50 mL去離子水，超聲30 min。將超聲后的溶液轉移至反應釜中，密封。把反應釜放入恒溫干燥箱中，在200 ℃下反應25 h，待冷卻后打開反應釜，用去離子水洗滌產(chǎn)物3～5次后干燥，所得樣品為A；保持其他條件不變，加入NaOH濃度為5 mol/L，所得樣品為B；保持其他條件不變，縮短水熱反應時間為20 h，所制備的樣品為C。

2　結果與討論

2.1樣品的SEM圖譜

采用KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡(SEM,北京中科科儀技術發(fā)展有限責任公司, 加速電壓為15 kV)觀察樣品的形貌，結果如圖1所示，其中D為樣品B的局部放大的圖譜。

由圖1可以看出，根據(jù)所設定的實驗條件，當NaOH濃度為10 mol/L、水熱反應時間為25 h時，可以得到呈棒狀結構的ZnO，且棒的長度較長，相對均勻，表面光滑；當NaOH濃度為5 mol/L、水熱反應時間為25 h時，所得產(chǎn)物中出現(xiàn)不均勻的聚集為球形結構，并且有花狀結構生成，花的形狀為棒狀的花瓣以一點為中心，放射狀向外生長；當NaOH濃度為10 mol/L、水熱反應時間為20 h時，所得材料的結構仍為棒狀，但是表面不是很光滑，長度的均一性較差。

圖1　不同條件下制備的ZnO的SEM圖譜

2.2樣品的XRD表征

采用X-射線衍射儀XRD(Rigaku D/Max2500PC, 功率為18 kV, 選用Cu Kα輻射,) 對所制備的樣品進行物相組成及結構分析，所得的XRD圖譜如圖2所示。

圖2　不同條件下所得樣品的XRD圖譜

通過圖2可以看出，通過與ZnO的標準XRD圖譜對比，所制備樣品的晶體構型為纖鋅礦結構，基于在30°～40°出現(xiàn)三個明顯的峰形尖銳、強度較大的衍射峰，尤其以36.3°處出現(xiàn)的峰強度最大，說明該方法制備的樣品結晶度高，晶體優(yōu)先沿著(101)晶面方向生長，所得樣品都為純凈的ZnO，沒有雜質相存在。同時也說明采用水熱法合成ZnO時得到的樣品具有純度高、分散性好，晶體的內(nèi)部缺陷少和熱應力較小等特點。樣品C雖然水熱反應時間較短，但是所得的XRD圖譜與A幾乎一樣。在A和B兩種樣品中，樣品A的峰更尖銳，晶型結構更好。

2.3反應機理的初步分析

3　結　論

以硝酸鋅為鋅源，采用水熱法合成了具有纖鋅礦結構的ZnO，所得材料純凈，沒有雜質相存在。研究發(fā)現(xiàn)改變反應釜的水熱反應時間或者改變?nèi)芤旱膒H值，材料的形貌會發(fā)生改變，隨著溶液pH值的降低，材料由棒狀結構向花型結構轉變，同時改變恒溫時間，樣品的形貌稍有變化。材料的形貌和結構對其性能有很大的影響，合理地控制合成條件，就可以制備出符合要求的樣品。

[1]詹國平,黃可龍,劉素琴.納米氧化鋅的制備與應用[J].化學工程，2011,86(5):26-27.

[2]湯國虎,葉巧明,連紅芳,等.氧化鋅納米粉體的應用[J].陶瓷,2003,16(4):15-17.

[3]康雪雅,宋世庚,韓英,等.ZnO納米粉對壓敏陶瓷材料顯微結構和電子特性的影響[J].材料研究學報,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,賈殿增,喬水民,等.納米ZnO的故相合成及其氣敏特性[J].無機材料學報,2001,16(4):625-629.

[6]張紹巖,丁士文,劉淑娟,等.均相沉淀法合成納米ZnO及其光催化性能的研究[J].化學學報,2002，25(7):1225-1229.

[7]李汶軍,施爾畏,鄭燕青,等．氧化物晶體的成核機理與晶粒粒度[J].無機材料學報，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

楊戈(1969-)，男，工程師，主要從事化工醫(yī)藥工程設計。

TQ125

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1001-9677(2016)016-0099-02