ZnO空心纳米颗粒的制备方法与流程

本发明属于环境工程技术领域，涉及一种ZnO空心纳米颗粒的制备方法。

背景技术：

以ZnO和二氧化钛(TiO₂)为代表的半导体光催化材料，使得有效治理及控制水污染和大气污染成为可能。

影响ZnO光催化性能的因素很多，主要包括本征缺陷的调控、表面形貌控制、其它材料复合结构，其中空心结构对于提高氧化物的光催化性能有重要意义。

而传统的氧化物纳米颗粒制备方法不仅难以制备粒度分布均匀的颗粒，无法做到空心结构，因此很难提高光催化材料的性能。

通过火焰喷雾法(flame spray pyrolysis，FSP)可以得到粒度分布均匀的氧化物纳米颗粒，但是通过多次实验，发现最后得到的颗粒易产生团聚，不宜在环境工程领域应用。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供一种ZnO空心纳米颗粒的制备方法，大大提高了ZnO纳米颗粒的光催化性能。

本发明所采用的技术方案是，一种ZnO空心纳米颗粒的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤1，将Zn(CH₃COO)₂·2H₂O加入到去离子水中，搅拌，配置成水溶液；

步骤2，将配制好的水溶液通过雾化器产生雾化小液滴；

步骤3，雾化小液滴通过石英管后进入氢气氧气混合火焰中充分燃烧，燃烧物沉积到收集石英管内收集，即得ZnO空心纳米颗粒。

进一步的，所述步骤3中，收集石英管内的管壁末端安装水冷装置。

进一步的，所述步骤3中，水冷的冷却速度为1.2m/s。

进一步的，所述步骤1中，水溶液的浓度为0.05～0.5mol·L^-1。

进一步的，所述步骤1中，搅拌时间为2～4h时，搅拌速率为100～500rpm。

进一步的，所述步骤2中，雾化速率为0.05～0.5mL/min。

进一步的，所述步骤3中，H₂：O₂的体积流量比为1～2，燃烧温度在2500～3500K。

进一步的，所述步骤3中，收集时间为2～4h。

本发明的有益效果：对传统的FSP方法做以改进，通过安置水冷装置，并将传统的燃烧气体甲烷改为氢气，氢气替代甲烷可避免收集样品中出现碳元素，得到粒径均匀且空心的ZnO纳米颗粒，能够提高ZnO光催化材料的活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例制得的空心ZnO纳米颗粒的XRD谱图。

图2a是本发明实施例制得的空心ZnO纳米颗粒透射电镜扫描模式照片，图2b是本发明实施例制得的空心ZnO纳米颗粒的电子衍射模式照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

ZnO空心纳米颗粒的制备方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，将Zn(CH₃COO)₂·2H₂O加入到去离子水中，室温搅拌，配置成水溶液；

步骤2，将配制好的水溶液通过雾化器产生雾化小液滴；

步骤3，雾化小液滴通过石英管后进入氢气氧气混合火焰中充分燃烧，燃烧物沉积到收集石英管内收集；该收集石英管的管壁位置安装水冷装置，收集沉积的样品；

步骤4，通过对收集的样品进行X射线衍射(XRD)测试以及透射电镜(TEM)分析，证实样品为空心状ZnO纳米颗粒。

其中，步骤1中，所得水溶液的浓度为0.05～0.5mol·L^-1。

步骤1中，搅拌时间为2～4h时，搅拌速率为100～500rpm。

步骤2中，雾化速率为0.05～0.5mL/min。在该速率下产生的雾化小液滴大小在后续的燃烧、水冷过程中才能制得满意的均匀颗粒空心ZnO纳米颗粒。

步骤3中，H₂：O₂的体积流量比为1～2(SCCM)，燃烧温度通过氢气和氧气的比例来调节，范围在2500～3500K。

步骤3中，收集时间为2～4h。

在步骤3中，选择石英管可承受的温度在1500K，因此获得的样品通过气流后可以在管壁直接收集。

在步骤3中，水冷装置安装在石英管的管壁末端，冷却速度为1.2m/s，沉积速度由雾化速度所确定，没有加冷却水的地方沉积的样品为实心ZnO纳米颗粒。

实施例1

步骤1，将Zn(CH₃COO)₂·2H₂O加入到去离子水中搅拌，搅拌时间为2h时，搅拌速率为500rpm，配置成水溶液，水溶液的浓度为0.05mol·L^-1；

步骤2，将配制好的水溶液通过雾化器产生雾化小液滴，雾化速率为0.05mL/min；

步骤3，雾化小液滴通过石英管后进入氢气氧气混合火焰中充分燃烧，H₂：O₂的体积流量比为1～2，燃烧温度在2500K，燃烧物沉积到收集石英管内收集，收集石英管内的管壁末端安装水冷装置，水冷的冷却速度为1.2m/s，收集时间为2h，即得ZnO空心纳米颗粒。

实施例2

步骤1，将Zn(CH₃COO)₂·2H₂O加入到去离子水中搅拌，搅拌时间为4h时，搅拌速率为100rpm，配置成水溶液，水溶液的浓度为0.5mol·L^-1；

步骤2，将配制好的水溶液通过雾化器产生雾化小液滴，雾化速率为0.5mL/min；

步骤3，雾化小液滴通过石英管后进入氢气氧气混合火焰中充分燃烧，H₂：O₂的体积流量比为1～2，燃烧温度在3500K，燃烧物沉积到收集石英管内收集，收集石英管内的管壁末端安装水冷装置，水冷的冷却速度为1.2m/s，收集时间为4h，即得ZnO空心纳米颗粒。

实施例3

步骤1，将Zn(CH₃COO)₂·2H₂O加入到去离子水中搅拌，搅拌时间为3h时，搅拌速率为300rpm，配置成水溶液，水溶液的浓度为0.2mol·L^-1；

步骤2，将配制好的水溶液通过雾化器产生雾化小液滴，雾化速率为0.2mL/min；

步骤3，雾化小液滴通过石英管后进入氢气氧气混合火焰中充分燃烧，H₂：O₂的体积流量比为1～2，燃烧温度在3000K，燃烧物沉积到收集石英管内收集，收集石英管内的管壁末端安装水冷装置，水冷的冷却速度为1.2m/s，收集时间为3h，即得ZnO空心纳米颗粒。

本发明所述的空心ZnO纳米颗粒制备方法，通过对其进行TEM分析，如图2a、图2b所示，证实所得样品为空心状ZnO纳米颗粒。与传统的FSP方法相比，加入水冷装置后不仅可以获得空心状ZnO纳米颗粒，且获得的空心ZnO纳米颗粒光催化活性要比实心ZnO纳米颗粒提高30％。本发明所述的空心纳米颗粒制备方法操作简单，易于推广。

采用实施例3的方法，制得的产品，从图1中可以看出ZnO的不同径向衍射峰，从中可以计算出ZnO的晶粒尺寸大小。本文制得的晶粒大小约为20nm，图1中不同的径向峰可计算，也可以从图2a中直观看出来，且可以看出，本文的产品不产生团聚的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。