黑氧化锌的制备方法及黑氧化锌的用途

摘要

本发明公开了一种黑氧化锌的制备方法及黑氧化锌的用途，本发明的合成方法是采用锌金属片或附着锌金属薄膜层和含氯盐(包括氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化铵、氯化钡、氯化铝等金属活性在锌以前的金属氯盐)中的一种或几种，在不同的酸碱度下，用水或有机溶剂做反应溶剂，用特制的反应容器，在一定的温度和压强下反应制取。黑氧化锌可广泛应用于染料敏化太阳能电池、水的光分解、有机物的光降解、光传感器、红外跟踪等技术领域，另外还可以作为模板，制取多孔金属、多孔金属氧化物和多孔有机聚合物。本发明合成成本低、反应条件温和，操作步骤简单。

权利要求

1.一种黑氧化锌的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：

(1)取纯度为90～95％的锌金属片，用去离子水和无水乙醇超声清洗20分钟以上备用；

(2)在反应器中注入容积40～95％的去离子水，加入氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化铵、氯化钡、氯化铝中的一种或两种以上到反应器中与去离子水配成溶液，该溶液氯离子浓度为0.01～1mol/L，滴加酸或碱，调节溶液的pH值在3～14之间；

(3)将步骤2准备好的反应器密闭置于可恒温控制的加热设备中进行加热，让锌金属片在反应器内反应，加热的温度为80～240℃，加热2～100h后锌金属片表面形成黑氧化锌；

(4)将步骤3中的反应容器冷却至室温，再将锌金属片取出，经过清洗、自然晾干或烘干得到附着在锌金属片的黑氧化锌。

2.根据权利要求1所述黑氧化锌的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中反应容器密封良好，且为对酸、碱具有惰性的材料制得。

3.根据权利要求2所述黑氧化锌的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)反应器溶液中每升还添加0.01～1mol双氧水。

4.根据权利要求1所述黑氧化锌的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中可恒温控制的加热设备为马弗炉或电阻炉或烘箱。

5.根据权利要求1所述黑氧化锌的制备方法，其特征在于：所述步骤4中反应容器采取自然冷却至室温或放入冷水中急速冷却至室温，取出锌金属片后经过去离子水和无水乙醇超声清洗，然后自然晾干或加热烘干即得附着在锌金属片的黑氧化锌。

说明书

黑氧化锌的制备方法及黑氧化锌的用途

技术领域

[0001] 本发明属于氧化锌微、纳米晶体材料制备和用途，具体的说，涉及一种黑氧化锌的制备方法及黑氧化锌的用途。

[0002] 背景技术

[0003] 目前，随着化石能源的短缺和价格飞涨，以及大量使用化石燃料带来的严重的环境污染，迫使世界各国积极寻找新的可再生无污染的绿色能源。而太阳能取之不尽用之不竭，是可以大量开发利用的没有任何污染的最有希望的绿色能源，世界各国都投入大量的人力物力致力于太阳能的开发和利用。现有利用太阳能最成熟的技术是利用硅电池发电，然而硅太阳能电池的制作过程复杂，能耗极高，价格昂贵，不适于大面积推广。近年来由于二氧化钛和氧化锌等一系列氧化物纳米材料在染料敏化太阳能电池、光催化分解水、有机物的光降解等方面的优异表现，使人们看到了借助氧化物纳米材料，大量使用太阳能的希望和环境治理方面的可能。以上所有应用都要求纳米材料既能吸收大量太阳光，又必须具备良好的导电性。但是由于以往所有氧化物纳米材料，无论是采用溶胶凝胶法、化学沉积法还是阳极氧化法制备的纳米晶、纳米棒以及纳米管薄膜材料，都存在吸光度和导电性不可兼得的缺点。而且制作过程复杂，不易控制。无论是用于敏化太阳能电池，还是用于水的光催化分解及有机物的光降解，效果一直不很理想。

[0004] 发明内容

[0005] 为解决以上技术问题，本发明的目的之一在于提供一种对太阳光的吸收率，从紫外到近红外，平均不低于95％，同时导电性又非常好的黑氧化锌纳米晶体材料的制备方法。 [0006] 本发明的目的之二在于提供黑氧化锌纳米晶体材料的在光吸收、光降解有机物、光催化分解水、光传感器以及以黑氧化锌为模板制取多孔金属、多孔金属氧化物和多孔有机聚合物方面的用途。

[0007] 本发明目的是这样实现的：一种黑氧化锌的制备方法，按如下步骤进行： [0008] (1)取纯度为90～100％的锌金属片，用去离子水和无水乙醇超声清洗20分钟以上备用；

[0009] (2)在反应器中注入容积40～95％的去离子水，加入氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化铵、氯化钡、氯化铝中的一种或两种以上到反应器中与去离子水配成溶液，该溶液氯离子浓度为0.01～1mol/L，滴加酸或碱，调节溶液的pH值在3～14之间；

[0010] (3)将步骤2准备好的反应器置于可恒温控制的加热设备中进行加热，让锌金属片在反应器内反应，加热的温度为80～240℃，加热2～100h后锌金属片表面形成黑氧化锌；

[0011] (4)将步骤3中的反应容器取出冷却至室温，然后取出锌金属片经过清洗、自然晾干或烘干得到附着在锌金属片的黑氧化锌。

[0012] 上述步骤(2)中反应容器为具有良好的密封性，可承受高温高压，对酸、碱具有惰性的材料制得。如有机聚合物制备容器、贵金属容器等不易被酸碱腐蚀的容器。 [0013] 上述步骤(2)反应器溶液中每升还可选择性添加0.01～1mol双氧水提供氧使锌金属片反应更快。

[0014] 上述步骤(3)中可恒温控制的加热设备为马弗炉或电阻炉或烘箱。上述步骤(4)中反应容器可采取自然冷却至室温或放入冷水中急速冷却至室温，取出锌金属片后经过去离子水和无水乙醇超声清洗，然后自然晾干或加热烘干即得附着在锌金属片的黑氧化锌。 [0015] 因为黑氧化锌是晶体材料垂直于锌金属片表面定向生长，具有比较规则的外形，并且结晶很好，每一个晶体都具有金字塔一样的塔尖，和普通氧化锌一样同属于宽禁带半导体。对太阳光的吸收率，从紫外到近红外，平均不低于95％，同时导电性又非常好的微纳米氧化锌材料。

[0016] 所以黑氧化锌在太阳能电池中作为光阳极的应用效果非常好。 [0017] 所以黑氧化锌在水的光分解中作为光阳极的应用效果非常好。 [0018] 所以黑氧化锌在有机物的光降解中作为催化剂的应用效果非常好。 [0019] 所以黑氧化锌在光传感器中作为光敏感材料的应用效果也非常好。 [0020] 在应用中可以直接使用表面覆盖了黑氧化锌的锌金属片，也可以将锌金属片表面的黑氧化锌取下单独使用。

[0021] 在整个合成过程中因为没有引入表面活性剂或模板剂，纳米晶体材料的表面洁净，适合对其进行本征性能的研究和最大限度发挥纳米晶体材料的功能，同时也容易进行表面改性。通过改变配料，在其它金属片上生长各种形貌和特征的金属氧化物纳米晶体材料。还可利用黑氧化锌为模版制备其他氧化物、金属、聚合物等微纳米材料。 [0022] 有益效果：本发明合成方法，所采用的原料为廉价的无机盐和锌片，而且为一步合成，即原料和反应溶剂一次加入反应器后置入恒温炉内加温反应，合成过程中可控参数较少，合成成本低、反应条件温和，操作步骤简单。黑氧化锌太阳光的吸收率，从紫外到近红外，平均不低于95％，最大可达98％，同时导电性又非常好，可以广泛运用于染料敏化太阳能电池、水的光分解、有机物的光降解、光传感器、红外跟踪等领域。 附图说明

[0023] 图1是本发明方法制备的黑氧化锌和白色氧化锌的反射率对比光谱图； [0024] 图2是本发明方法制备的黑氧化锌的扫描电镜斜视图；

[0025] 图3是本发明方法制备的黑氧化锌和白色氧化锌的XRD对比图。 [0026] 具体实施方式

[0027] 实施例1

[0028] (1)取纯度为90％的锌金属片，用去离子水和无水乙醇超声清洗25分钟备用； [0029] (2)在机聚合物制备的反应器中注入其容积40％的去离子水，加入氯化钠到反应器中与去离子水配成溶液，该溶液氯离子浓度为0.01mol/L，滴加酸或碱，调节溶液的pH值在3；

[0030] (3)将步骤2的反应容器置于马弗炉中进行加热，让锌金属片在反应器内反应，加热的温度为80℃，加热100h后锌金属片表面形成黑氧化锌；

[0031] (4)将步骤3中的反应容器自然冷却至室温，然后取出锌金属片经过清洗、自然晾干得到附着在锌金属片的黑氧化锌。

[0032] 实施例2

[0033] (1)取纯度为100％的锌金属片，用去离子水和无水乙醇超声清洗40分钟 备用； [0034] (2)在贵金属的反应器中注入其容积95％的去离子水，加入氯化钠、氯化钾到反应器中与去离子水配成溶液，该溶液氯离子浓度为1mol/L，滴加酸或碱，调节溶液的pH值在14；

[0035] (3)在步骤2的反应器中添加双氧水，将反应器置于电阻炉中，进行加热，让锌金属片在反应器内反应，加热的温度为240℃，加热1h后锌金属片表面形成黑氧化锌； [0036] (4)将步骤3中反应器放入冷水中急速冷却至室温，取出锌金属片经过去离子水和无水乙醇超声清洗，然后加热烘干即得附着在锌金属片的黑氧化锌。 [0037] 实施例3

[0038] (1)取纯度为95％的锌金属片，用去离子水和无水乙醇超声清洗30分钟备用； [0039] (2)在反应器中注入容积85％的去离子水，加入氯化钾到反应器中与去离子水配成溶液，该溶液氯离子浓度为0.2mol/L，滴加酸或碱，调节溶液的PH值在8； [0040] (3)将步骤2的反应器置于烘箱中进行加热，让锌金属片在反应器内反应，加热的温度为150℃，加热30h后锌金属片表面形成黑氧化锌；

[0041] (4)将步骤3中反应器放入冷水中急速冷却至室温，然后取出锌金属片，经过去离子水和无水乙醇超声清洗，自然晾干或加热烘干即得附着在锌金属片的黑氧化锌。 [0042] [0039] 将实施例1、2、3中制得的黑氧化锌与普通氧化锌的反射率光谱图；XRD对比图进行对比得到图1、图3。图1说明黑氧化锌的吸光率比普通氧化锌好，图 2说明黑氧化锌与普通氧化锌相比其晶体结构并没改变。图2为实施例1、2、3中制得的黑氧化锌的扫描电镜斜视图。由于黑氧化锌对太阳光的吸收率非常高，同时导电性又非常好，又是一种宽禁带半导体，故可用于制作太阳能电池的光阳极、水的光分解中作为光阳极、有机物的光降解中作为催化剂、光传感器中作为光敏感材料、以黑氧化锌为模板，制取多孔氧化物、多孔金属和多孔有机聚合物的应用。