一种空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料及其制备方法，属于纳米材料制备技术领域。本发明专利技术将十六烷基三甲基溴化铵、硝酸锌、硫酸铜和水的混合溶液加入到二甲基咪唑溶液中，得到石灰色溶液，然后将石灰色溶液顺次进行离心分离、干燥，得到ZnCu

【技术实现步骤摘要】
一种空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料制备
，尤其涉及一种空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]具有高的孔隙率、比表面积和形态稳定性的金属有机骨架(MOF)已被证明是制备新型多孔金属氧化物纳米结构的前驱体/模板。然而，高的电阻限制了MOF作为传感材料的直接应用。通过高温煅烧，MOF中的金属离子可转化为金属氧化物，C和其他元素(如N和H)可被氧化为气体。因此，由于煅烧过程中的气体释放，很容易得到具有相互连通孔隙的多孔氧化物。但在热解的过程中形貌极易发生坍塌，造成大量的团聚现象。在这些金属氧化物半导体的MOF衍生物中，空心多壳结构HOMS已经引起广泛关注。这是因为MOF具有极强的柔韧性，其有机配体和金属成分可以通过精细的二次处理分离。MOF衍生的氧化物基多壳结构虽然具有很大的研究潜力，但研究报道较少，其结构也相对简单。
[0003]在各种金属氧化物中，氧化锌(ZnO)作为一种具有3.37eV宽带隙的n型半导体材料，因其无毒，优异的化学稳定性，高的电子迁移率和结构可调性等优点，被广泛应用于太阳能、气体传感器、自旋电子学、光子学和光催化等多个领域。此外，据报道，将ZnO进行各种元素掺杂，如贵金属、稀有金属、过渡金属等，是一种在气体传感装置中使用时提高导电性的有用方法。在自然界中，铜(Cu)是十分常见且自然界中含量很多的一种元素；并且Cu的d轨道电子很容易与ZnO价带重叠。当Cu掺杂ZnO后，会大量增加材料的活性位点的数量，从而有利于对气体元素的吸附。因此，合成Cu掺杂的ZnO材料从而提高ZnO的气敏性能具有重要意义。
[0004]制备有良好空心结构的最优途径仍然是在可移除模板上包覆所需材料，但最终空心结构的获得过程通常复杂繁琐，涉及到模板的去除。在模板的去除过程中涉及酸碱刻蚀、化学置换等，必不可免的会造成资源浪费、环境污染等问题。除了空心结构外，纳米材料的形貌对气敏性能也有较大影响，形貌不均一，造成比表面积小，降低气敏性能。
[0005]因此，提供一种空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料的制备方法能够制得形貌均匀、多孔且比表面积大的纳米气敏材料具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料及其制备方法，以解决现有技术中纳米气敏材料形貌不均一，比表面积小，气敏性低的技术问题。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)将十六烷基三甲基溴化铵、硝酸锌、硫酸铜和水的混合溶液加入到二甲基咪唑
溶液中，得到石灰色溶液；
[0010](2)将石灰色溶液顺次进行离心分离、干燥，得到ZnCu
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ZIF
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8材料；
[0011](3)将ZnCu
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ZIF
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8材料进行煅烧处理，得到Cu掺杂ZnO纳米气敏材料。
[0012]进一步的，所述步骤(1)中，十六烷基三甲基溴化铵、硫酸铜、硝酸锌和二甲基咪唑的摩尔比为0.05～0.3:1:10～20:600～1300。
[0013]进一步的，所述步骤(1)中，二甲基咪唑溶液由二甲基咪唑和水配制得到，所述二甲基咪唑和水的质量体积比为3～6g:50mL。
[0014]进一步的，所述步骤(1)中，混合溶液中十六烷基三甲基溴化铵与水的质量体积比为1～5mg:10～30mL。
[0015]进一步的，所述步骤(2)中，离心分离的转速为6000～10000rpm/min，次数为4～8次，每次离心的时间为10～20min。
[0016]进一步的，所述步骤(2)中，干燥的温度为60～80℃，干燥的时间为8～16h。
[0017]进一步的，所述步骤(3)中，煅烧处理的温度为300～500℃，升温速率为5～20℃/min，煅烧处理的时间为2～5h。
[0018]本专利技术提供了一种空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料，所述空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料的化学式为Zn1‑
x
Cu
x
O，其中0.1≤x≤0.5。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020](1)本专利技术制得的空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料，通过利用ZnCu
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ZIF
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8作为前驱体牺牲模板，简化了Cu元素的掺杂过程，通过Cu元素的掺杂提高了ZnO的活性位点，使其气敏性能显著提高。
[0021](2)本专利技术在室温条件下合成的ZnCu
‑
ZIF
‑
8材料尺寸均一，不易团聚，然后再对ZnCu
‑
ZIF
‑
8材料进行煅烧处理，制得Zn1‑
x
Cu
x
O材料，保留了前驱体的空心六面体结构，并且具有多孔结构和较大的比表面积。
[0022](3)本专利技术在制备ZnCu
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ZIF
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8材料时，添加了十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，CTAB具有调控产物形貌的作用，CTAB调节形貌后使得煅烧获得的Zn1‑
x
Cu
x
O纳米颗粒很好地保留了前驱体的形貌，且形貌规整，多孔，比表面积大，形成独特的空心六面体结构。同时，由于CTAB具有长链疏水性烷基链，从而配合本专利技术的溶剂反应体系，使得制得的ZnCu
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ZIF
‑
8不易团聚。
[0023](4)本专利技术所提供的制备方法简单，制备前驱体在常温条件下即可进行，生产成本低，使用的均为普通的化学药品，价格低廉。
附图说明
[0024]图1为实施例1制备的ZnCu
‑
ZIF
‑
8材料的SEM图；
[0025]图2为实施例1制得的Zn
0.8
Cu
0.2
O材料的SEM图；
[0026]图3与图4为实施例1制备的Zn
0.8
Cu
0.2
O材料的TEM图；
[0027]图5为实施例1制备的ZnCu
‑
ZIF
‑
8材料的XRD图；
[0028]图6为实施例1～2和对比例1制备的Zn
0.8
Cu
0.2
O材料的XRD图；
[0029]图7与图8为实施例1制备的Zn
0.8
Cu
0.2
O材料的元素分布谱图；
[0030]图9是实施例1制备的Zn
0.8
Cu
0.2
O材料针对甲醛气体的灵敏度响应图。
具体实施方式
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空心六面体结构的Cu掺杂ZnO纳米气敏材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将十六烷基三甲基溴化铵、硝酸锌、硫酸铜和水的混合溶液加入到二甲基咪唑溶液中，得到石灰色溶液；(2)将石灰色溶液顺次进行离心分离、干燥，得到ZnCu
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ZIF
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8材料；(3)将ZnCu
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ZIF
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8材料进行煅烧处理，得到Cu掺杂ZnO纳米气敏材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，十六烷基三甲基溴化铵、硫酸铜、硝酸锌和二甲基咪唑的摩尔比为0.05～0.3:1:10～20:600～1300。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，二甲基咪唑溶液由二甲基咪唑和水配制得到，所述二甲基咪唑和水的质量体积比为3～6g:50mL。4.根据权利要求1～3任意一项所述的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾毅，徐达，杨新颖，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：