微波法合成花状zno亚纳米粒子

微波法合成花状zno亚纳米粒子

zno的宽带宽宽度和高激子结合能（室温分别为3.37和60kv）具有许多优异的光学、声音和科学性质。此外，zno是少量具有体积效应的氧化物之一。禁带宽度随着粒子尺寸的减小而增大,从而可以实现通过调节粒子尺寸连续调节禁带宽度。此外,不同形貌的ZnO粒子具有不同的光学及其它性质,这些使得ZnO在变阻器、半导体、传感器等领域具有应用前途。不同的方法已被用于合成ZnO纳米粒子,其中液相法如沉淀法、水热法、微乳法、溶胶凝胶法、超声法等,通过热处理不同溶剂中的反应物,在相对较低的温度下就能获得结晶物质,并可免去进Correspondentauthor:XUZheng(1941—),male,professor.E-mail:xuzheng1178@一步的烧结,是一类简单而有效的方法。而微波与物质作用时表现出的热效应与非热效应,使其在超细粉体材料制备领域得以迅速发展。为此,通过水浴加热水解和微波加热水解法分别合成出棒状和花状ZnO亚纳米粒子。1实验1.1znac2沉淀的制备实验所用原料为:ZnAc2·2H2O(AR);氨水(25%);无水乙醇(AR)。称取0.2195gZnAc2·2H2O溶于200mL去离子水中,制得0.005mol/L的ZnAc2溶液。待溶解完全后,逐滴加入氨水调节pH值至11.17。将所得溶液分成2份。一份在80℃水浴中加热1h,另一份放入微波炉中以中火(功率500W)加热2min,上述2种方法制得的沉淀经离心分离以及去离子水和无水乙醇洗涤后,在空气中60℃下干燥4h,得到白色粉末,分别记作样品A和样品B。实验采用WP700型LG微波炉,微波输出频率为2.45GHz,输出功率为0~700W。1.2cuk辐射管电压/管电流计算用D/maxrB型粉末X射线衍射(X-raydiffraction,XRD)仪,对粉体进行物相分析,CuKα辐射,管电压为40kV,管电流为60mA,λ=0.154056nm。用Hitachi800型透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscope,TEM)分析粉体进行形貌,加速电压为200kV。2结果和讨论2.1衍射峰的结构图1为2种样品的XRD谱。结果表明:衍射峰尖锐,结晶性良好;所有衍射峰均能与六方晶系ZnO(空间群P63mc)的JCPDS卡片361451相对应,无杂质相[如Zn(OH)2]衍射峰存在,说明产物主要为六方晶系ZnO。2.2zno亚纳米粒子图2为水浴加热水解合成的样品A的TEM照片。从图2可以看出:其形貌为棒状,直径约为100~300nm,长度约为450~900nm。图2左上角插入的分别是单个ZnO亚纳米粒子的形貌特写及对应的选区电子衍射(selectedareaelectrondiffraction,SAED)图,SAED图显示棒状ZnO亚纳米粒子为单晶结构,沿c轴方向择优生长。图3为微波加热水解合成的样品B的TEM照片,可以看出其形貌为均匀的花状,花瓣直径约为200nm。2.3微波加热水解法ZnAc2溶液中滴加氨水到一定量时,Zn2+主要被NH3络合生成[Zn(NH3)4]2+络合物。一定条件下加热该溶液,将发生如下反应:[Zn(NH3)4]2++2OH−−→−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−HeatedinwaterbathorinmicrowavefieldZnO(1)[Ζn(ΝΗ3)4]2++2ΟΗ-→ΗeatedinwaterbathorinmicrowavefieldΖnΟ(1)即[Zn(NH3)4]2+络合物溶液直接水解生成ZnO沉淀。沉淀的形成过程可分为2步,即晶核的形成及晶核的长大。当溶液中的构晶离子达到一定浓度后,一定数目的构晶离子通过相互碰撞,在静电引力的作用下缔合起来,聚集成微小的晶核;当溶液中生成晶核后,构晶离子继续向晶核表面扩散,并在晶核上沉积下来,使晶核长大,当达到一定数目的离子时,就形成沉淀微粒。晶核形成是构晶离子的聚集过程,其长大过程则是构晶离子的定向排列过程,而沉淀微粒的形貌就是由这一定向排列过程决定的。ZnO极性晶体的生长习性决定了其粒子沿c轴方向择优生长,在水浴温度为80℃时,反应物分散均匀,构晶离子的扩散受到的限制较大,易形成单个的棒状形貌,这同前面的TEM和SAED图显示的结果一致;而在微波加热水解条件下,升温速率极快,晶核的融合非常剧烈,晶核生长受到的限制小,则易形成复杂的花状形貌。沉淀微粒的大小是由晶核形成和晶核生长2个过程的相对速率来决定的。采用传统的加热方式,如烘箱或水浴,由于是靠对流、传导和辐射3种方式,开始反应的速度较慢,沉淀相瞬间过饱和度小,晶核不可能一下子形成,容易形成多次成核。此外,在反应初期建立热平衡以前,体系从外到内有一个温度梯度,不同区域的成核和晶核生长是不同步的,这势必影响粒子的尺寸和均匀性。而微波加热条件下,由于微波能使整个体系在很短的时间内被更均匀地加热,大大消除了温度梯度的影响,同时使沉淀相在瞬间内萌发成核,从而获得均匀粒子,反应时间也较水浴加热大大缩短。因此,采用水浴加热的样品A粒子尺寸不均,而微波加热的样品B粒子尺寸分布十分狭窄,非常均匀。3微波加热水解法使用[Zn(NH3)4]2+络合物溶液水解能直接合成ZnO亚纳米粒子。水浴加热水解法合成的ZnO棒状亚纳米粒子的直径约为1