一种高比表面积介孔氧化锌纳米簇及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高比表面积介孔氧化锌纳米簇及其制备方法，其特征是获得的介孔氧化锌纳米簇是由尺度为3‑5纳米、壁厚为1‑2纳米的空心纳米粒子组装堆积形成的，具有比表面积高与光催化性能优良等特性。其制备步骤为：（1）将去离子水与乙二醇溶液混合搅拌得到乙二醇与水混合溶液；（2）在快速搅拌条件下，将硝酸锌、氢氧化钠、氯化钠水溶液添加到乙二醇与水混合溶液，获得制备介孔氧化锌纳米簇的反应前驱体溶液；（3）将反应前驱体溶液在室温搅拌下反应1‑10小时后，高速离心分离并超声清洗、干燥煅烧获得介孔氧化锌纳米簇粉体。本发明专利技术获得的高比表面积介孔氧化锌纳米簇在光催化降解、药物输运、抗菌、环境治理与保护等方面具有重要的应用价值。

Mesoporous Zinc Oxide nano cluster with high specific surface area and preparation method thereof

The invention relates to a high surface area mesoporous Zinc Oxide nanoclusters and preparation method thereof, which is characterized in that the mesoporous nano clusters obtained by Zinc Oxide is a scale of 3 5 nm, a wall thickness of 1 hollow nanoparticles 2 nm packed form, with high specific surface area and excellent photocatalytic performance characteristics. The preparation method comprises the following steps: (1) the deionized water and stirring to obtain mixed glycol solution of ethylene glycol and water mixed solution; (2) in the fast stirring condition, the zinc nitrate, sodium hydroxide, sodium chloride aqueous solution is added to the mixed solution of ethylene glycol and water, reaction precursor solution preparation of mesoporous nano Zinc Oxide cluster; (3) the reaction precursor solution at room temperature and stirring to react for 1 10 hours after high speed centrifugation and ultrasonic cleaning, drying and calcination to obtain mesoporous nano powder Zinc Oxide cluster. The mesoporous Zinc Oxide nanoclusters with high specific surface area have important application value in photocatalytic degradation, drug transport, antibacterial, environmental treatment and protection, etc..

【技术实现步骤摘要】
一种高比表面积介孔氧化锌纳米簇及其制备方法
本专利技术涉及一种由空心氧化锌纳米粒子组装堆积形成的高比表面积介孔氧化锌纳米簇及其制备方法。
技术介绍
作为一种重要的功能氧化物半导体，氧化锌不仅具有独特的理化性能与良好的生物相容性，而且在室温下具有较大的禁带宽度(3.37eV)与激子束缚能(60meV)，这些特性使其在光催化污染物降解、光催化制氢、太阳能电池、抗菌消毒、药物输运、环境治理、气敏传感、光电器件等许多方面具有重要的应用价值和广阔的应用前景。因此，近年来人们在不同形貌结构的氧化锌纳米材料控制合成上做了大量的尝试和努力，发展了水热法、液相沉淀法、溶胶-凝胶法、水解法、化学气相沉积(CVD)、高温煅烧等多种氧化锌纳米材料制备方法，合成了纳米颗粒、纳米棒、纳米线、纳米带、纳米管、纳米片等一维、二维氧化锌纳米材料以及由纳米颗粒、纳米片、纳米棒等为基本单元组装构筑的三维氧化锌微纳分级结构。众所周知，氧化锌纳米材料的诸多性能、应用与其比表面积密切相关。显然，构筑高比表面积氧化锌纳米结构具有十分重要的科学意义和实用价值。然而，与商用氧化锌粉体材料相比（比表面积为4-5平方米/克），氧化锌纳米粒子较大的比表面积（10-40平方米/克）、较高的比表面能、较强的表面极性等因素易于导致其自身发生团聚，进而限制其纳米效应的充分发挥。为此，人们以聚苯乙烯球、二氧化硅、碳球等为模板成功构筑了一系列不同尺度、不同壁厚的氧化锌微米空心球；采用煅烧碱式碳酸锌微球制备了由氧化锌纳米片组成的、孔径为20-50纳米、比表面积约为30平方米/克的介孔氧化锌微球。据我们所知，尽管人们通过构筑空心、介孔结构有效提高了氧化锌粉体材料的比表面积、稳定性与催化活性，但采用目前已报道的制备技术，人们仍难以合成比表面积大于50平方米/克的氧化锌粉体材料，而且现有氧化锌空心、介孔微球制备法通常需要复杂繁琐的反应步骤、较高的反应温度或较长的反应时间。因此，本专利技术针对现有氧化锌粉体材料制备技术的不足之处，提供一种简便、快速、无模板、室温条件下制备高比表面积介孔氧化锌纳米簇的制备方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为克服现有高比面积氧化锌粉体材料制备技术不足之处，提供一种简便、快速、无模板、室温条件下制备介孔氧化锌纳米簇的制备技术。本专利技术的另一目的是制备出由空心氧化锌纳米粒子组装堆积形成的、催化活性高、比表面积大的介孔氧化锌纳米簇，为光催化污染物降解、气体传感器件构筑、抗菌消毒等方面实际应用提供物质基础。本专利技术中高比表面积介孔氧化锌纳米簇是以硝酸锌为锌源、氢氧化钠为沉淀剂，采用液相沉淀法在乙二醇与水混合溶液中制备的，其制备过程包括以下具体步骤：（1）将一定量去离子水添加到乙二醇溶液中，搅拌均匀得到乙二醇与水混合溶液；（2）在搅拌条件下，向步骤（1）获得的乙二醇与水的混合溶液中依次加入硝酸锌、氢氧化钠、氯化钠，获得制备高比表面积介孔氧化锌纳米簇的反应前驱体溶液，其中，硝酸锌、氢氧化钠、氯化钠的浓度分别为0.01-0.30摩尔/升、0.05-1.5摩尔/升、0.005-0.05摩尔/升；（3）将步骤（2）中的反应前驱体溶液在室温搅拌下反应1-10小时，制得乳白色高比表面积介孔氧化锌纳米簇胶体溶液；（4）待反应结束后，将介孔氧化锌纳米簇胶体溶液用高速离心机离心分离，在转速5000-14000转/分钟离心10-100分钟后，移去离心管中无色溶液，得到白色沉淀产物；（5）用去离子水或无水酒精超声清洗步骤（4）获得的沉淀产物，并在50-200度烘箱中干燥1-10小时，获得介孔氧化锌纳米簇粉体。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术提供了一种在室温、无模板的条件下制备高比表面积介孔氧化锌纳米簇的方法，其特征在于介孔氧化锌纳米簇是在乙二醇与水混合溶液中，以硝酸锌为锌源、氢氧化钠作沉淀剂，采用液相沉淀法制备的；（2）该方法获得的介孔氧化锌纳米簇是由尺度为3-5纳米、壁厚为1-2纳米的空心纳米粒子组装堆积形成的，其孔径大小为2-5纳米，比表面积可达160平方米/克，远高于目前商用（4-5平方米/克）与文献报到的氧化锌纳米粉体材料（10-40平方米/克）；（3）该方法获得的介孔氧化锌纳米簇具有产率高、单分散性好、纳米簇尺度可调、热稳定性好等特点，在200摄氏度长时间煅烧不发生形貌结构变化；（4）该方法获得的介孔氧化锌纳米簇具有优良的光催化降解特性且可多次循环利用；（5）本专利技术所用原料丰富且价廉易得，高比表面积介孔氧化锌纳米簇产率高且制备工艺简便易行、实验重复性好，易于宏量、低成本、规模化生产制备，适合工业化大规模生产，易于满足未来商业化应用需求。附图说明图1是对制得的介孔氧化锌纳米簇胶体溶液及粉体用肉眼观测后用数码相机拍摄的光学照片，其中，图1a是介孔氧化锌纳米簇胶体溶液的光学照片，溶液颜色为乳白色，图1b是离心干燥后获得的介孔氧化锌纳米簇粉体照片，可以看出，干燥研磨后介孔氧化锌纳米簇为白色粉末；图2是对获得的介孔氧化锌纳米簇用JEOL-1400透射电镜观察后拍摄的多张透射电镜（TEM）照片之一，其中，其中，图2a为介孔氧化锌纳米簇低倍TEM图像，图2b为介孔氧化锌纳米簇高倍TEM图像，TEM结果显示，产物是由尺度为3-5纳米、壁厚为1-2纳米的空心小球堆积形成的单分散介孔氧化锌纳米簇；图3是将制得的介孔氧化锌纳米簇均匀分散到载玻片上后，用BrukerD8-Advance型X-射线衍射仪对其进行测试获得的X-射线衍射（XRD）图谱，其中，纵坐标为相对强度，横坐标为衍射角，XRD数据显示，产物所有X-射线衍射峰峰位与氧化锌标准谱图（JCPDS卡No.36-1451）吻合，说明制得的介孔氧化锌纳米簇具有纤锌矿结构；图4是用日本ShimadzuUV-3101PC型紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR）对氧化锌纳米颗粒进行测试后得到的光吸收谱图，其中，纵坐标为吸收强度，横坐标为光波波长。从图中可以看出，介孔氧化锌纳米簇在340纳米处具有显著的激子吸收峰；图5是用TriStarII3020全自动比表面及孔隙度分析仪在77K下测试的介孔氧化锌纳米簇的氮气等温吸附-脱附曲线，其中，测量前介孔氧化锌纳米簇在200摄氏度真空条件下进行4小时脱气处理，结果显示，本专利技术中获得的介孔氧化锌纳米簇的孔径大小为2-5纳米，其比表面积为160平方米/克，远高于目前商用（4-5平方米/克）与文献报到的氧化锌纳米粉体材料（10-40平方米/克）；图6是以PLS-SXE300C氙灯（300W）作模拟太阳光光源照射条件下介孔氧化锌纳米簇对染料污染物罗丹明B（RhB）催化降解的实验结果，其中，图6a是光催化降解过程中罗丹明B溶液颜色变化，图6b是溶液中残留罗丹明B的光吸收图谱，图6c是光催化效果图，图6d是介孔氧化锌纳米簇对罗丹明B循环降解结果，循环实验中保持光照时间为50分钟，罗丹明B浓度为0.01毫摩/升，结果表明，获得的介孔氧化锌纳米簇在太阳光照条件下具有优良的光催化降解特性与稳定性，在光催化降解中可循环利用；图7是在乙二醇与水体积比为80:20的混合溶液中，在硝酸锌与氢氧化钠浓度不同条件下，制得的介孔氧化锌纳米簇的透射电镜照片，其中，图7a中硝酸锌与氢氧化钠的浓度分别为0.01摩尔/升与0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高比表面积介孔氧化锌纳米簇，其特征在于：（1）本专利技术中所说的介孔氧化锌纳米簇是由尺度为3‑5纳米、壁厚为1‑2纳米的空心纳米粒子组装堆积形成的，其孔径大小为2‑5纳米，比表面积为160平方米/克，高于商用与已报到的氧化锌纳米粉体材料；（2）获得的介孔氧化锌纳米簇具有产率高、单分散性好、纳米簇尺度可调、热稳定性好等特点，在200摄氏度长时间煅烧不发生形貌结构变化；（3）获得的介孔氧化锌纳米簇不仅具有优良的光催化降解特性而且可多次循环利用。

【技术特征摘要】
1.一种高比表面积介孔氧化锌纳米簇，其特征在于：（1）本发明中所说的介孔氧化锌纳米簇是由尺度为3-5纳米、壁厚为1-2纳米的空心纳米粒子组装堆积形成的，其孔径大小为2-5纳米，比表面积为160平方米/克，高于商用与已报到的氧化锌纳米粉体材料；（2）获得的介孔氧化锌纳米簇具有产率高、单分散性好、纳米簇尺度可调、热稳定性好等特点，在200摄氏度长时间煅烧不发生形貌结构变化；（3）获得的介孔氧化锌纳米簇不仅具有优良的光催化降解特性而且可多次循环利用。2.权利要求1所述的高比表面积介孔氧化锌纳米簇的制备方法，其特征是包括以下步骤：（1）将去离子水与乙二醇溶液混合搅拌得到乙二醇与水混合溶液；（2）在搅拌条件下，向步骤（1）获...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦云威，李村成，姜春雪，韩晓楠，徐波，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37