本發(fā)明屬于納米材料合成領(lǐng)域，特別涉及一種大氣壓低溫等離子體裝置制備金屬氧化物納米顆粒的方法。

技術(shù)背景

氧化鋅納米顆粒是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其優(yōu)異的光電性能和催化特性，使其在太陽能電池、壓電材料、催化材料以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的前景。氧化鋅納米顆粒的制備方法多種多樣，傳統(tǒng)的方法主要有氣相沉積法、微乳液法、水熱法、溶膠凝膠法、微波法、模板法等。其中氣相沉積法和模板法對設(shè)備有較高要求，不利于快速生產(chǎn)；而液相如微乳液法、水熱法、溶膠凝膠法等往往過程繁瑣，需高溫長時間反應(yīng)，且使用的試劑多為有毒的化學(xué)試劑，對環(huán)境造成污染。

等離子體又叫做電漿，是物質(zhì)繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的第四種狀態(tài)，一種由電子、各種離子、原子和自由基等組成的離子化氣體狀物質(zhì)，等離子體可分為不同的類別：按熱力學(xué)平衡分類，等離子體可分為熱平衡等離子體和非熱平衡等離子體；按系統(tǒng)溫度可分為冷等離子體和熱等離子體。熱平衡等離子體中所有粒子的溫度都一樣，宏觀上表現(xiàn)為熱等離子體。在非熱平衡等離子體中，電子的溫度可高達數(shù)萬度，而離子和中性粒子的溫度遠小于電子溫度，整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，所以稱為冷等離子體或低溫等離子體。通常射頻或微波產(chǎn)生的低溫等離子體都需要在高氣壓下才可以工作，但當(dāng)?shù)入x子體裝置尺寸達到微米級別時，等離子體可在大氣壓下產(chǎn)生。大氣壓低溫等離子體的物理化學(xué)應(yīng)用是一個具有全球影響的科學(xué)與工程，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)、聚合物薄膜、材料防腐蝕等領(lǐng)域。

針對傳統(tǒng)制備方法中溫度高、耗時長、設(shè)備復(fù)雜等不足，本發(fā)明提供一種氧化鋅納米顆粒的合成方法，反應(yīng)裝置簡單、在室溫下即可快速制備出氧化鋅納米顆粒，顆粒純度均勻，有很好的生產(chǎn)優(yōu)勢。

本發(fā)明使用一種新型氧化鋅納米顆粒的制備方法，即大氣壓低溫等離子體制備法。如前所述，大氣壓低溫等離子體是包含高能電子、羥基自由基、過氧化氫、超氧陰離子、單線態(tài)氧、一氧化氮自由基、超氧陰離子等高反應(yīng)活性成分，其中大量的羥基自由基和高能電子反應(yīng)得到氫氧根離子，氫氧根離子與溶液中的鋅離子反應(yīng)脫水后即可得到氧化鋅納米顆粒。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種利用大氣壓低溫等離子體方式制備氧化鋅納米顆粒的方法。針對傳統(tǒng)制備方法中溫度高、耗時長、設(shè)備復(fù)雜等不足，本發(fā)明使用大氣壓低溫等離子體代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)方法產(chǎn)生氧化鋅納米顆粒。和傳統(tǒng)化學(xué)法相比具有以下優(yōu)點：此方法簡單、快速，一旦有等離子體激發(fā)出來，就會誘發(fā)產(chǎn)生納米粒子；整體的裝置尺寸集成化程度高，在方便攜帶的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)大氣壓常溫條件的制備；處理對象為鋅鹽的水溶液，無污染，且得到的產(chǎn)物后處理簡單；通過改變等離子體裝置的氣體源、氣體流量、激發(fā)參數(shù)和反應(yīng)時間等，可以得到粒徑均勻性好，穩(wěn)定性高的氧化鋅納米顆粒。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

1.一種氧化鋅納米顆粒的制備方法，其特征在于，利用激發(fā)的大氣壓低溫等離子體與鋅鹽溶液反應(yīng)產(chǎn)生氧化鋅納米顆粒；包括以下步驟：

(1)原料為鋅鹽和十二烷基硫酸鈉混合的相應(yīng)濃度的溶液，將鋅鹽溶液放在絕緣性材料的容器中；

(2)在鋅鹽溶液中插入惰性陽極，向大氣壓低溫等離子體激發(fā)裝置中通入氣體，利用激發(fā)的大氣壓低溫等離子體與鋅鹽溶液、惰性陽極構(gòu)成回路；

(3)收集溶液中的白色沉淀，離心干燥后，得到氧化鋅納米顆粒。

2.上述的大氣壓低溫等離子體激發(fā)裝置，包括：氣體源、直流電源、電阻、中空金屬陰極、惰性陽極。

3.上述的一種氧化鋅納米顆粒的制備方法，其特征在于，中空金屬陰極材料選用銅、鉬、鋁、不銹鋼之一；惰性陽極可以是任意形狀的惰性材料，如玻璃碳電極、石墨電極、鉑片、鉑絲等。

4.上述的一種氧化鋅納米顆粒的制備方法，其特征在于，所述的鋅鹽可以選用能夠溶于水的各種鋅鹽，可以是無機鋅鹽如氯化鋅、硝酸鋅、硫酸鋅、磷酸鋅等，也可以是有機鋅鹽如醋酸鋅、乳酸鋅、堿式碳酸鋅等，或者上述物質(zhì)的混合物。

5.上述的一種氧化鋅納米顆粒的制備方法，其特征在于，所述的通入大氣壓低溫等離子體激發(fā)裝置中的氣體可以是空氣，也可以為氦氣、氬氣、氮氣等惰性氣體以及這些惰性氣體與氧氣按照不同比例混合形成的混合氣體。

6.優(yōu)選地，用于通入大氣壓低溫等離子體激發(fā)裝置中的氣體流量范圍為1.00sccm-10sccm。

7.優(yōu)選地，大氣壓低溫等離子體的激發(fā)參數(shù)為，激發(fā)電壓1kv-5kv，激發(fā)電流10ma-100ma。

8.優(yōu)選地，等離子體與鋅鹽溶液的反應(yīng)時間可為1-30分鐘。

與傳統(tǒng)制備方法相比，本發(fā)明具有以下特點：

(1)簡單、快速，只需幾分鐘時間即可大量制得納米級的氧化鋅顆粒；

(2)環(huán)境友好，避免使用強酸、強堿等有毒試劑；

(3)常溫下即可操作，避免傳統(tǒng)化學(xué)方法使用長時間高溫等高耗能操作。

(4)透射電鏡檢測結(jié)果顯示氧化鋅納米顆粒粒徑均勻，穩(wěn)定性好；

附圖說明

圖1：大氣壓低溫等離子體激發(fā)裝置示意圖。包括直流電源1，電阻2，等離子體氣體源3，中空金屬陰極4，惰性陽極5，等離子體6，鋅鹽溶液7以及用于盛放溶液的絕緣性容器8。

圖2：鋅鹽溶液經(jīng)過大氣壓低溫等離子體處理后產(chǎn)生的氧化鋅納米顆粒的紅外吸收光譜圖。

圖3：鋅鹽溶液經(jīng)過大氣壓低溫等離子體處理后產(chǎn)生的氧化鋅納米顆粒的透射電鏡圖。

圖4：鋅鹽溶液經(jīng)過大氣壓低溫等離子體處理后產(chǎn)生的氧化鋅納米顆粒的x-射線粉末衍射圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。

實施例1：分別稱取0.25g硫酸鋅和0.025g十二烷基硫酸鈉，完全溶解到30ml超純水中形成鋅鹽溶液7，將鋅鹽溶液7加入到在絕緣型容器8中，在低溫等離子體裝置中通入2sccm的氬氣氣體，在電極上施加1kv的電壓，控制電流為50ma，產(chǎn)生的等離子體6處理溶液10分鐘，形成的白色沉淀用超純水反復(fù)清洗后離心干燥，得到純凈的氧化鋅納米顆粒，粒徑約為40nm；

實施例2：分別稱取0.66g二水合醋酸鋅和0.075g十二烷基硫酸鈉，完全溶解到30ml超純水中形成鋅鹽溶液7，將鋅鹽溶液7加入到在絕緣型容器8中，在低溫等離子體裝置中通入4sccm的壓縮空氣，在電極上施加2kv的電壓，控制電流70ma，產(chǎn)生的等離子體6處理溶液7分鐘，形成的白色沉淀用超純水反復(fù)清洗后離心干燥，得到純凈的氧化鋅納米顆粒，粒徑約為30nm；

通過下面的實驗技術(shù)方法驗證本發(fā)明的結(jié)果：

本實驗中樣品的表面化學(xué)鍵分析采用傅立葉變換紅外光譜儀；微觀結(jié)構(gòu)及顆粒大小使用透射電子顯微鏡進行分析；顆粒的結(jié)晶相分析采用x射線衍射儀進行分析。驗證實施例2的結(jié)果如下：

如圖2所示，在3500-3200cm-1處有強的o-h鍵的不對稱伸縮振動吸收峰，在1400cm-1處有強的o-h鍵的彎曲振動吸收峰，在470cm-1處的吸收峰是zn-o鍵的特征吸收峰，證明產(chǎn)物是氧化鋅；

如圖3所示，產(chǎn)物均為球形顆粒，且均勻性良好，與比例尺對比顆粒得到粒徑約為30nm；

如圖4所示，圖中各衍射峰均為氧化鋅的特征峰，對應(yīng)氧化鋅的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶系的纖維鋅礦，而并未觀測到其他雜質(zhì)的衍射峰，證明產(chǎn)物是具有高純度的氧化鋅；

實施例3：分別稱取1.02g氯化鋅和0.1g十二烷基硫酸鈉，完全溶解到30ml超純水中形成鋅鹽溶液7，將鋅鹽溶液7加入到在絕緣型容器8中，在低溫等離子體裝置中通入6sccm的95％氮氣與5％氧氣組成的混合氣體，在電極上施加5kv的電壓，控制電流為100ma，產(chǎn)生的等離子體6處理溶液3分鐘，形成的白色沉淀用超純水反復(fù)清洗后離心干燥，得到純凈的氧化鋅納米顆粒，粒徑約為20nm。