一种氧化锌纳米材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及纳米氧化锌材料技术领域，尤其涉及一种氧化锌纳米材料及其制备方法与应用。所述氧化锌纳米材料的制备方法，包括：将ZIF‑8通过氧离子注入工艺制得；其中，所述氧离子注入工艺的氧气流速为50～150sccm，电压为100～300V，功率为700～1000W，处理时间为5～10min。本发明专利技术提供的氧化锌纳米材料由氧离子注入工艺制得；采用特定参数下的氧离子注入工艺制备氧化锌纳米材料，可以避免高温退火过程导致的金属氧化物再生长、团聚、成块等问题，所得氧化锌纳米材料具有良好的稳定性，且工作温度低，同时，该材料具备灵敏度高、响应速度快等特性。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化锌纳米材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及纳米氧化锌材料
，尤其涉及一种氧化锌纳米材料及其制备方法与应用。
技术介绍
偏二甲肼(C2H8N2)不仅是一种重要的主体燃料还是一种具有较多用途的化工原料，但是其易燃易爆，毒性较大，具有神经、消化、呼吸和生殖系统毒性，长期接触较高浓度的偏二甲肼甚至会导致癌变。而在偏二甲肼的存储、运输、使用过程中存在泄漏危害，因此需要对环境中的偏二甲肼进行高灵敏监测。而基于氧化锌等半导体金属氧化物获得的气敏元件，可以将其浓度等信息转化为可识别的电信号。其中，敏感薄膜是决定气敏元件性能最为关键的部分，除材料本身的属性外，敏感薄膜的表面形态、特征尺寸等结构性质对传感器的灵敏度、响应/恢复时间和稳定性也具有显著的影响。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术提出了一种氧化锌纳米材料及其制备方法与应用。具体地，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供一种氧化锌纳米材料的制备方法，包括：将ZIF-8通过氧离子注入工艺制得；其中，所述氧离子注入工艺的氧气流速为50～150sccm，电压为100～300V，功率为700～1000W，处理时间为5～10min。本专利技术发现，具有多孔及孔径可调、比表面积大、易于功能化、特殊吸附等优点的半导体敏感材料是构筑高灵敏气敏元件的关键所在，而基于ZIF-8等金属有机框架化合物为前驱体较易获得该类敏感材料；然而，通常情况下，由于ZIF-8化合物本身为绝缘材料且易高温分解，导致其需要在空气中进行退火处理。但是，在上述退火处理过程中，除了需要对温度、时间、升温速率等关键因素进行充分摸索之外，在高温退火的过程中还易导致金属氧化物的再生长、团聚、成块等问题，不利用敏感特性的提高和优化。基于上述问题，本专利技术进一步探究、发现，采用氧离子注入工艺可直接将其有机配体转化为碳氧气体以及氮氧气体，进而直接获得对应的金属氧化物半导体颗粒；此外，本专利技术还在大量的试验研究和测试实验的基础上，确定了氧离子注入工艺的参数，即当氧气流速为50～150sccm、电压为100～300V、功率为700～1000W、处理时间为5～10min时，具有超快的处理速度，且处理效果十分理想，所得氧化锌纳米材料具有多孔及孔径可调、比表面积大、易于功能化、特殊吸附等优点。如此，本专利技术通过氧离子注入工艺直接获得对应的氧化锌纳米材料，并通过工艺参数控制氧化锌纳米材料的对应结构参数。即本专利技术提供了一种理想的快速高效处理金属有机框架化合物前驱体并获得对应金属氧化物的方法。作为优选，所述ZIF-8的制备方法包括：以锌源和2-甲基咪唑为原料，通过配位反应制得；其中，所述锌源为选自六水合硝酸锌、氯化锌、硫酸锌、醋酸锌中的一种；优选为六水合硝酸锌。在上述技术方案中，当锌源为六水合硝酸锌、氯化锌、硫酸锌或醋酸锌(尤其是六水合硝酸锌)时，与2-甲基咪唑经配位反应制得的ZIF-8尤其适用于后续的氧离子注入工艺。作为优选，所述配位反应在溶剂中进行；所述溶剂为甲醇。作为优选，所述ZIF-8的制备方法包括：步骤(1)：将锌源和2-甲基咪唑分别溶于甲醇中，得锌源溶液和2-甲基咪唑溶液；步骤(2)：将所述锌源溶液和所述2-甲基咪唑溶液混合，搅拌25～35min，静置，离心取沉淀物，洗涤，干燥，即得。作为本专利技术的较佳技术方案，所述ZIF-8的制备方法包括：步骤(1)：将0.291g锌源和0.328g2-甲基咪唑分别溶于25mL甲醇中，得锌源溶液和2-甲基咪唑溶液；步骤(2)：将所述锌源溶液和所述2-甲基咪唑溶液混合，搅拌30min，静置24h，在6000rpm条件下离心取沉淀物，用乙醇洗涤3次，在60℃下干燥，即得。作为优选，在所述氧离子注入工艺之前，还包括对所述ZIF-8进行预处理的步骤；所述预处理包括：步骤(1)：将所述ZIF-8按0.8～1.2g/L(优选1g/L)的浓度均匀分散到酒精溶液中，得ZIF-8溶液；步骤(2)：将所述ZIF-8溶液分散在硅片(优选4英寸的硅片)上，干燥，得载有8～12μm厚度ZIF-8的硅片。本专利技术中，采用上述方式对ZIF-8进行预处理，可将ZID-8均匀地分布在硅片上，从而处理地更为完全。作为优选，所述制备方法包括如下步骤：(1)将六水合硝酸锌和2-甲基咪唑分别溶于甲醇中，得锌源溶液和2-甲基咪唑溶液；(2)将所述锌源溶液和所述2-甲基咪唑溶液混合，搅拌25～35min，静置，离心取沉淀物，洗涤，干燥，得ZIF-8；(3)将所述ZIF-8按0.8～1.2g/L的浓度均匀分散到酒精溶液中，得ZIF-8溶液；(4)将所述ZIF-8溶液分散在硅片上，干燥，得载有8～12μm厚度ZIF-8的硅片；(5)将所述载有8～12μm厚度ZIF-8的硅片进行氧离子注入工艺；其中，所述氧离子注入工艺的氧气流速为50～150sccm，电压为100～300V，功率为700～1000W，处理时间为5～10min。本专利技术还提供一种氧化锌纳米材料，所述氧化锌纳米材料利用上述方法制得。在上述技术方案中，所述氧化锌纳米材料具有良好的骨架结构。作为优选，所述氧化锌纳米材料的粒径为550～650nm；其为超薄壳层结构。本专利技术同时提供上述氧化锌纳米材料在制备气敏元件中的应用。本专利技术还提供一种气敏元件，包括：电极衬底；以及敏感薄膜层，所述敏感薄膜层形成在所述电极衬底上，其中，所述敏感薄膜层为上述的氧化锌纳米材料。本专利技术中，所述气敏元件具有较高偏二甲肼气体检测灵敏度，可用于偏二甲肼的检测。作为优选，所述敏感薄膜层的厚度为600～2000nm；作为优选，所述敏感薄膜层的电阻率为100～1000kΩ·m。作为优选，所述电极衬底的形状为平面、曲面或管状。本专利技术同时提供上述气敏元件的制备方法，包括：步骤(1)：将所述氧化锌纳米材料按45～55g/L(优选为50g/L)的浓度均匀分散到酒精溶液中，得氧化锌纳米材料溶液；步骤(2)：将所述氧化锌纳米材料溶液涂抹到电极衬底上，在180～220℃(优选为200℃)下干燥。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术提供的氧化锌纳米材料由氧离子注入工艺制得；采用特定参数下的氧离子注入工艺制备氧化锌纳米材料，可以避免高温退火过程导致的金属氧化物再生长、团聚、成块等问题，所得氧化锌纳米材料具有良好的稳定性，且工作温度低，同时，该材料具备灵敏度高、响应速度快等特性。(2)对本专利技术的气敏元件分别使用扫描电镜、透射电镜、粉末X射线衍射仪和电阻测试仪进行表征，由其结果可知，气敏元件包括电极衬底以及覆于所述电极衬底上的敏感薄膜层；其中，敏感薄膜层的厚度为600～2000nm，其为氧化锌纳米材料，其中的氧化锌纳米材料由超细的纳米颗粒(粒径为600nm左右)组成；敏感薄膜层的电阻率为100～10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化锌纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：将ZIF-8通过氧离子注入工艺制得；/n其中，所述氧离子注入工艺的氧气流速为50～150sccm，电压为100～300V，功率为700～1000W，处理时间为5～10min。/n

【技术特征摘要】
1.一种氧化锌纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：将ZIF-8通过氧离子注入工艺制得；
其中，所述氧离子注入工艺的氧气流速为50～150sccm，电压为100～300V，功率为700～1000W，处理时间为5～10min。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述ZIF-8的制备方法包括：以锌源和2-甲基咪唑为原料，通过配位反应制得；
其中，所述锌源为选自六水合硝酸锌、氯化锌、硫酸锌、醋酸锌中的一种；优选为六水合硝酸锌。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述配位反应在溶剂中进行；所述溶剂为甲醇。


4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述ZIF-8的制备方法包括：
步骤(1)：将锌源和2-甲基咪唑分别溶于甲醇中，得锌源溶液和2-甲基咪唑溶液；
步骤(2)：将所述锌源溶液和所述2-甲基咪唑溶液混合，搅拌25～35min，静置，离心取沉淀物，洗涤，干燥，即得。


5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述氧离子注入工艺之前，还包括对所述ZIF-8进行预处理的步骤；
所述预处理包括：
步骤(1)：将所述ZIF-8按0.8～1.2g/L的浓度均匀分散到酒精溶液中，得ZIF-8溶液；
步骤(2)：将所述ZIF-8溶液分散在硅片上，干燥，得载有8～12μm厚度ZIF-8的硅片。


6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将六水合硝酸锌和2-甲基咪唑分别溶于甲醇中，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：张光友，曹晔，段国韬，李宝庭，高磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天系统部装备部装备保障队，
类型：发明
国别省市：北京;11