一种金属氧化物半导体纳米材料的制备方法技术

一种新型的金属氧化物半导体纳米材料的制备方法。通过脉冲直流电源对置于水中的两根金属电极供电以在两电极之间产生等离子体放电，在放电产生的高能量等离子体对金属电极表面进行持续溅射攻击下，从电极表面形成的金属原子或金属原子团簇进入水中，随后经过原位氧化和附着生长形成了具有独特形貌的金属氧化物纳米材料。该方法在常温常压开放体系中运作，实验设备要求简单，可操作性强，且产物纯度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机纳米材料领域，具体涉及一种氧化铜和氧化锌半导体纳米材料的制备方法。
技术介绍
纳米尺度金属氧化物半导体的理化性质与块材有着很大区别，因而针对金属氧化物半导体纳米材料的研究得到了极大关注。氧化铜(CuO)和氧化锌(ZnO)是两种重要的半导体材料，它们在催化剂、气相和生物传感器、纳米结构变阻器、紫外吸收剂、色素增感太阳能电池、发光二极管、氢存储等领域有着广泛的应用。研究和应用中发现，进入纳米尺度后，颗粒尺寸和形貌对半导体化合物的理化性能及其应用方向有着非常大的影响，因此在过去十几年中出现了很多用以控制CuO或ZnO纳米材料尺寸和形貌的合成工艺，如固相反应法、水热法、溶胶凝胶法、化学沉淀法、化学气相沉积法，等等。但是，这些合成方法大多仍然存在着明显不足，如产品纯度不足、工艺复杂等。因此，寻求 简单高效且形貌可控的CuO和ZnO纳米材料合成方法仍是现阶段的一个研究热点。本专利技术公开了一种新的、简单的金属氧化物半导体纳米材料的制备方法。该方法可以得到高纯度的氧化铜和氧化锌纳米材料，产物具有独特的纳米形貌。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的金属氧化物半导体纳米材料的制备方法。通过脉冲直流电源对置于水中的两根金属电极供电以在两电极之间产生等离子体放电，在放电产生的高能量等离子体对金属电极表面进行持续溅射攻击下，从电极表面形成的金属原子或金属原子团簇进入水中等离子放电区域，经过原位氧化及后期的附着生长，形成了形貌独特的金属氧化物半导体纳米材料。该方法在常温常压的开放体系中运作，不需要任何化学添加剂、气流和模板，实验设备要求简单，可操作性强，且产物纯度高，可实现批量化可控生产。同时，该方法制得的金属氧化物纳米材料不同于传统方法制备的表面形貌光滑的产物，有望在光、电及催化剂等方面得到广泛应用。，以金属电极为原材料，通过在水中电极之间等离子体诱导形成金属氧化物纳米材料。包括以下步骤:取目标金属作为两个相对的电极，连接脉冲直流电源形成放电回路，并将两电极以相对且保持一定间距的位置浸没在水中；在保持搅拌的情况下，连通电路以使两电极之间产生高能量等离子体；依据产量要求控制反应时间，待放电结束后，溶液经过滤或离心分离、干燥即得到对应的金属氧化物半导体纳米材料。更具体地，本专利技术所述金属氧化物半导体纳米材料的制备方法，包括以下步骤:I)金属电极对的准备选取两根直径相同的金属棒，然后在两根金属棒外套上内径与金属棒直径相同的氧化铝绝缘管，接着将其固定在内径与氧化铝绝缘管外径相同的特氟龙管中，即得到金属反应电极；然后，将金属反应电极以水平相对的位置通过容器壁上的孔安装到绝缘容器上，两电极之间间距在0.1-1mm,电极之间夹角为180°，连接脉冲直流电源以形成放电回路；任选地，如图1所示，可在绝缘容器外配设一冷却系统以调节体系温度，例如通常可将绝缘容器置于一室温水浴中；2)金属氧化物半导体纳米材料的制备在步骤I的绝缘容器中加入水，确保金属电极对被水浸没且水面到电极的距离大于IOmm ;在体系保持搅拌的情况下，连通电路，通过电源控制仪表盘选定脉冲频率和脉冲宽度，调节电压直到电极之间等离子体产生(即出现肉眼可见的明显亮光)；固定上述电压、脉冲频率和脉冲宽度，在等离子放电过程中调整电极对之间间距以使其保持不变，确保等离子体持续产生；持续放电5分钟以上，放电结束后将所得到的溶液继续搅拌10分钟以上，然后经过滤或 离心分离、干燥即得到具有独特形貌的金属氧化物半导体纳米材料。本专利技术所用制备装置具体可参阅附图1。本专利技术的制备方法中，所述金属优选铜或锌。对应地，所述金属氧化物为氧化铜或氧化锌。可使用金属线代替金属棒；金属棒或线的直径优选0.5-5mm,更优选l_2mm。所述绝缘容器可以是公知的电绝缘材质的容器，如玻璃容器。两电极之间间距优选0.1-0.5mm,更优选0.2-0.4mm。脉冲直流电源的脉冲频率为5_50kHz，优选10_30kHz ;脉冲宽度为0.5-5 μ S，优选1_3 Us0最终金属氧化物纳米材料的产量可以通过放电时间(即反应时间)来自由控制。通过本专利技术的制备方法，可获得具有独特形貌和表面结构的、高纯度的氧化铜或氧化锌纳米材料。该方法在常温常压开放体系中运作，实验设备要求简单，可操作性强，且产物纯度高，避免了因添加剂带来的杂质影响，可实现批量化可控生产。另外，通过简单更换电极材料，可很容易地实现其它材料或复合材料的生产，例如将金属铜和金属锌电极组合，可控制生长ZnO-CuO复合材料。附图说明图1为本专利技术制备金属氧化物半导体纳米材料的装置示意图。图2为实施例1制备的氧化铜纳米材料的X射线衍射图。图3为实施例1制备的束状氧化铜纳米材料的透射电镜图。图4为实施例1制备的束状氧化铜纳米材料的高倍透射电镜图。图5为实施例2制备的氧化锌纳米材料的X射线衍射图。图6为实施例2制备的花簇状氧化锌纳米材料的透射电镜图。图7为实施例2制备的花簇状氧化锌纳米材料的高倍透射电镜图。具体实施例方式以下将通过实施例以对本专利技术作进一步描述，但不应将其理解为对本专利技术保护范围的限制。实施例1束状氧化铜纳米材料的制备I)铜电极对的准备选取两根直径2mm、长度IOmm的铜棒，在两根铜棒外套上氧化铝绝缘管(内径2mm，外径3mm)，再固定在特氟龙管(内径3mm冲，即得到铜反应电极。将上述铜反应电极以水平相对的位置通过容器壁上的孔安装到玻璃容器上，电极对之间间距固定在0.2mm,电极对间夹角固定在180°，连接脉冲直流电源(型号MPP-HV03，日本株式会社栗田制作所)以形成放电回路。2)束状氧化铜纳米材料的制备在150ml玻璃容器中加入120ml蒸馏水，确保铜电极对被水浸没且水面到电极的距离大于IOmm;在体系搅拌的情况下，连通电路，通过电源控制仪表盘设定脉冲频率(10kHz)、脉冲宽度(2 μ S)，调节电压直到电极之间等离子体产生，固定上述电压、脉冲频率和脉冲宽度，在等离子放电过程中每2分钟调整一次电极对之间间距以使其保持在0.2mm,确保等离子体持续产生；持续放电10分钟后关闭电源，待放电结束后，将所得到的黄色粉体溶液继续搅拌10分钟，然后经过离心分离、干燥即得到束状氧化铜纳米粉体。对上述实施例1制得的产物进行了结构表征:图2为该氧化铜纳米材料的X射线衍射图(XRD)。该图中，各衍射峰和氧化铜(JCPDS89-2529标准卡)完全一致，从而说明得到的产物为氧化铜材料。图3和图4为氧化铜纳米材料不同倍率的透射电镜图。从图3中可以看出，所得产物具有束状形貌，单束颗粒由长度为数十纳米的晶须融合生长而成，表面完整度较低。图4表明该束状氧化铜具有良好的结晶 性。实施例2花簇状氧化锌纳米材料的制备I)锌电极对的准备:选取两根直径1mm、长度IOmm的锌线，在两根锌线外套上氧化铝绝缘管(内径1mm，外径2.5_)，再固定在特氟龙管(内径2.5_)中，即得到锌反应电极。将上述锌反应电极以水平相对的位置通过容器壁上的孔安装到玻璃容器上，电极对之间间距固定在0.2mm,电极对间夹角固定在180°，连接脉冲直流电源(型号MPP-HV03，日本株式会社栗田制作所)以形成放电回路。然后如图1所示，将玻璃容器置于一室温水浴中。2)花簇状氧化锌纳米材料的制备在15本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属氧化物半导体纳米材料的制备方法，包括以下步骤：取目标金属作为两个相对的电极，连接脉冲直流电源形成放电回路，并将两电极以相对且保持一定间距的位置浸没在水中；在保持搅拌的情况下，连通电路以使两电极之间产生高能量等离子体；依据产量要求控制反应时间，待放电结束后，溶液经过滤或离心分离、干燥即得到对应的金属氧化物半导体纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种金属氧化物半导体纳米材料的制备方法，包括以下步骤:取目标金属作为两个相对的电极，连接脉冲直流电源形成放电回路，并将两电极以相对且保持一定间距的位置浸没在水中；在保持搅拌的情况下，连通电路以使两电极之间产生高能量等离子体；依据产量要求控制反应时间，待放电结束后，溶液经过滤或离心分离、干燥即得到对应的金属氧化物半导体纳米材料。2.权利要求1所述金属氧化物半导体纳米材料的制备方法，具体包括以下步骤: 1)金属电极对的准备 选取两根直径相同的金属棒，然后在两根金属棒外套上内径与金属棒直径相同的氧化铝绝缘管，接着将其固定在内径与氧化铝绝缘管外径相同的特氟龙管中，即得到金属反应电极； 然后，将金属反应电极以水平相对的位置通过容器壁上的孔安装到绝缘容器上，两电极之间间距在0.1-1mm,电极之间夹角为180°，连接脉冲直流电源以形成放电回路； 2)金属氧化物半导体纳米材料的制备 在步骤I的绝缘容器中加入水，确保金属电极对被水浸没且水面到电极的距离大于IOmm;在体系保持搅拌的情况下，连通电路，通过电源控制仪表盘选定脉冲频率和脉冲宽度，调节电压直到电极之间等离子体产生 ；固定上述电压、脉冲频率和脉冲宽度...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡秀兰，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：