專利名稱：燃燒－氧化法生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的反應(yīng)器技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種運(yùn)用燃燒—氧化法生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的反應(yīng)器，特別涉及的是一種雙層套管結(jié)構(gòu)管式爐反應(yīng)器，能滿足了氧化鋅的生長(zhǎng)條件。該發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋅納米結(jié)構(gòu)在常溫下的禁帶寬度是3.3eV，是典型的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體。由于其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和多功能性，使納米結(jié)構(gòu)氧化鋅不僅力學(xué)、電學(xué)性能優(yōu)異，還具有特殊的導(dǎo)電性和吸波等特性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于納米技術(shù)領(lǐng)域。因此，新穎結(jié)構(gòu)的氧化鋅的合成與生長(zhǎng)引起了人們廣泛的興趣。目前為止，盡管用不同的方法生長(zhǎng)氧化鋅，例如，氣相傳輸法，熱蒸發(fā)方法，模板基生長(zhǎng)法，化學(xué)汽相沉積法等。但這些方法對(duì)氧化鋅的生長(zhǎng)條件要求比較嚴(yán)格，不易形成高質(zhì)量的產(chǎn)品。因此，在反應(yīng)過程中通入Ar等惰性氣體稀釋反應(yīng)器中的氧氣，或者是在反應(yīng)器中加入碳還原劑，滿足特殊結(jié)構(gòu)的氧化鋅生長(zhǎng)的必要條件。也可加入特殊的催化劑，如銦或者三氧化二銦來制備納米釘。這些方法對(duì)必須通過載氣、催化劑或添加劑才能實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)氧化鋅的生長(zhǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求較高，不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)了雙層套管結(jié)構(gòu)管式爐反應(yīng)器，利用此反應(yīng)器，通過燃燒—氧化的方法生長(zhǎng)不同形貌的氧化鋅。該發(fā)明對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求低，中間過程無需任何添加劑、催化劑或各種載氣，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，而且，利用該反應(yīng)器能得到各種結(jié)構(gòu)的氧化鋅，其中包括四角氧化鋅、長(zhǎng)腿四角氧化鋅、籠狀四角氧化鋅、多角氧化鋅、納米釘、氧化鋅納米棒等，大大節(jié)約了制備成本，便于在工業(yè)化推廣和應(yīng)用。
本發(fā)明的構(gòu)成包括由外管[1]、內(nèi)管[2]、石英舟[8]及水平管式爐[3]構(gòu)成的雙層套管結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器，見附圖1和圖2。其中，水平管式爐的長(zhǎng)度只要能保證內(nèi)管與外管之間有空氣氣流產(chǎn)生即可，其次，內(nèi)管和外管之間有空隙，能自由拉動(dòng)，使內(nèi)管[2]和外管[1]之間會(huì)形成空氣流[4]，保證了氧化鋅的生長(zhǎng)條件。其三，因?yàn)樵谒焦苁綘t內(nèi)，一端是開放性的，從密閉一端到爐口處出現(xiàn)從高到低的溫差變化，所以根據(jù)溫度的變化，將爐內(nèi)劃分為三個(gè)反應(yīng)區(qū)域，高溫區(qū)[5]，中溫區(qū)[6]和低溫區(qū)[7]，它們之間溫度相差不大于400度。
本發(fā)明涉及的反應(yīng)器工作原理是，利用雙層套管結(jié)構(gòu)，在向外拉動(dòng)內(nèi)管過程中產(chǎn)生空氣流，能夠補(bǔ)充反應(yīng)過程中所需要的氧氣，通過控制拉動(dòng)內(nèi)管的速度來控制反應(yīng)過程中的氧氣量。首先，將外管放入管式爐，將爐子升溫至700度以上，溫度穩(wěn)定后，快速將放有鋅粉的內(nèi)管置于高溫區(qū)，由于高溫區(qū)溫度較高，內(nèi)管內(nèi)的氧氣密度低，大量的鋅粉受熱蒸發(fā)為鋅蒸氣后，沒有足夠的氧氣與鋅蒸氣反應(yīng)，因此通過緩慢拉動(dòng)內(nèi)管到中溫區(qū)，溫度降低，并產(chǎn)生的空氣流會(huì)補(bǔ)充反應(yīng)所需的氧氣，使氧化鋅產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，得以繼續(xù)生長(zhǎng)；再將其拉入低溫區(qū)使氧化鋅生長(zhǎng)完全。整個(gè)反應(yīng)過程在1分鐘以上，該發(fā)明通過控制拉動(dòng)內(nèi)管的速度可以控制內(nèi)管和外管之間和內(nèi)管內(nèi)的空氣流的流動(dòng)速度，進(jìn)而控制了內(nèi)管中的氧氣含量，因此，避免了催化劑、添加劑及載氣的使用。同時(shí)內(nèi)管可用石英舟代替，其工作原理相同。
不同形貌的氧化鋅制備工藝如下首先將外管[1]放入管式爐[3]，將爐子升溫至700度以上，并保溫0.5小時(shí)以上，溫度穩(wěn)定后，再將裝有鋅粉的內(nèi)管(或石英舟)[2]放入外管[1]的反應(yīng)區(qū)域[5]的位置，使鋅粉蒸發(fā)為鋅蒸氣，此過程中，可以觀測(cè)到有大量的黑煙形成。幾分鐘后，以一定的速度向外拉動(dòng)內(nèi)管[2]至反應(yīng)區(qū)域[6]，使外管[1]和內(nèi)管[2]之間產(chǎn)生空氣流[4]。在拉動(dòng)過程中，反應(yīng)區(qū)域[6]有明亮的紅色火焰產(chǎn)生，繼續(xù)拉動(dòng)內(nèi)管[2]至反應(yīng)區(qū)域[7]，能看到產(chǎn)生的氧化鋅由黃色立刻轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨藁畹漠a(chǎn)物，最后得到特殊形貌的氧化鋅。
本發(fā)明由于采用了以上所述的雙層套管結(jié)構(gòu)管式爐反應(yīng)器和特殊的控制措施，與現(xiàn)有技術(shù)相比，大大簡(jiǎn)化了制備工藝，降低了成本，可控制性較好。通過改變控制條件，得到了不同結(jié)構(gòu)的氧化鋅，其應(yīng)用范圍廣泛，例如微電子器件、光學(xué)器件、生物醫(yī)學(xué)、吸波材料。也為研究不同結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米材料提供了物理和化學(xué)的研究基礎(chǔ)。


圖1、圖2是雙層套管結(jié)構(gòu)管式爐反應(yīng)器的側(cè)剖面結(jié)構(gòu)說明圖；其中，[1]為內(nèi)管，[2]為外管，[3]管式爐，[4]是形成的空氣流，[5]是第一反應(yīng)區(qū)域，[6]式第二反應(yīng)區(qū)域，[7]是第三反應(yīng)區(qū)域。[8]是石英舟。
圖3是利用此反應(yīng)器得到的四角氧化鋅；圖4是利用此反應(yīng)器得到的籠狀四角氧化鋅；圖5是利用此反應(yīng)器得到的長(zhǎng)腿四角氧化鋅；圖6是利用此反應(yīng)器得到的多角氧化鋅；圖7是利用此反應(yīng)器得到的氧化鋅納米釘；圖8是利用此反應(yīng)器得到的氧化鋅納米棒。
具體實(shí)施例方式
實(shí)例1四角氧化鋅的制備可分為以下步驟1)將外管[1]放入長(zhǎng)度為120cm的水平管式爐[3]中，迅速升溫至950度，持此溫度不變。所需時(shí)間約為1小時(shí)。
2)將裝有鋅粉(99％)的內(nèi)管[4]放入外管中的第一反應(yīng)區(qū)域[5]，加熱約1分鐘后，有黑色煙出現(xiàn)，即是鋅粉發(fā)生了蒸發(fā)，產(chǎn)生了鋅蒸氣。此區(qū)域溫度較高，由于高溫下，空氣密度較低，所以此區(qū)域的氧氣量較少，鋅粉未發(fā)生氧化，而是以蒸氣存在。
3)產(chǎn)生大量煙后，以3cm/s速度拉動(dòng)內(nèi)管至第二反應(yīng)區(qū)域[6]，此區(qū)域的溫度與第一反應(yīng)區(qū)域[5]相比，略有下降。由于拉動(dòng)過程中，兩管之間會(huì)產(chǎn)生空氣對(duì)流[4]，使得鋅蒸氣遇到了氧氣，發(fā)生了燃燒，有紅色火焰出現(xiàn)。
4)通過控制空氣流速，此區(qū)域的氧氣量是有限的，當(dāng)鋅蒸氣發(fā)生燃燒后，仍有大量的鋅蒸氣未發(fā)生反應(yīng)。生成的氧化鋅沉積在內(nèi)管[2]壁上。
5)繼續(xù)拉動(dòng)內(nèi)管至第三反應(yīng)區(qū)域[7]，此時(shí)又可以在空氣對(duì)流中獲得氧氣[9]，在4)中生成的氧化鋅可作為此時(shí)反應(yīng)的核，在核上繼續(xù)生成氧化鋅。
6)將內(nèi)管[2]拉出至外管[1]管口處，此時(shí)可看到生成的產(chǎn)物由黃色立即變成白色。既是四角狀氧化鋅。
實(shí)例2長(zhǎng)腿四角氧化鋅的制備1)外管[1]放入管式爐[3]，將爐溫迅速升到800度，并保持此溫度一小時(shí)。
2)將裝有鋅粉(99.999％)的石英舟[8]放入外管[1]內(nèi)。
3)重復(fù)四角氧化鋅的制備步驟4)-5)。
4)兩分鐘后，繼續(xù)拉動(dòng)石英舟[8]，會(huì)看到紅色火焰。
5)繼續(xù)拉動(dòng)石英舟[8]至管式爐[3]開口處，會(huì)看到石英舟內(nèi)產(chǎn)物的顏色立即由黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨詈蟮玫介L(zhǎng)腿四角氧化鋅。該結(jié)構(gòu)的氧化鋅是從來沒有人制備出來的一種新化合物。
實(shí)例3籠狀四角氧化鋅的制備與長(zhǎng)腿四角氧化鋅的制備步驟相同，但鋅粉的純度為99％。在步驟4)中，將兩分鐘的時(shí)間延長(zhǎng)至三分鐘。最后得到籠狀四角氧化鋅。該結(jié)構(gòu)的氧化鋅是從來沒有人制備出來的一種新化合物。
實(shí)例4多角氧化鋅的制備重復(fù)長(zhǎng)腿四角氧化鋅的制備，鋅粉純度為99.9％。在步驟4)中將時(shí)間延長(zhǎng)至四分鐘。最后得到多角氧化鋅。
實(shí)例5氧化鋅納米釘重復(fù)多角氧化鋅的制備過程，但初始溫度升到850度，在步驟4)中將時(shí)間縮短為2.5分鐘。收集石英舟內(nèi)的產(chǎn)物。得到氧化鋅納米釘。該結(jié)構(gòu)的氧化鋅是從來沒有人制備出來的一種新化合物。
實(shí)例6氧化鋅納米棒重復(fù)多角氧化鋅的制備過程，但初始溫度升到900度，在步驟4)中將時(shí)間改為5分鐘。最后得到氧化鋅納米棒。
根據(jù)本發(fā)明的原理，所做出的任何添加或改動(dòng)，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種燃燒—氧化法生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的反應(yīng)器技術(shù)，其特征在于，它運(yùn)用了雙層套管結(jié)構(gòu)管式爐反應(yīng)器，通過燃燒—氧化的方法生長(zhǎng)不同結(jié)構(gòu)的氧化鋅，其中通過對(duì)速度和溫度的控制產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的氧化鋅。
2.本發(fā)明涉及一種燃燒—氧化法生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的反應(yīng)器技術(shù)，其特征在于它的構(gòu)成包括外管、內(nèi)管或石英舟、水平管式爐等；其中水平管式爐的長(zhǎng)度只要能保證內(nèi)管與外管之間有空氣氣流產(chǎn)生即可，其次，內(nèi)管和外管之間有空隙，能自由拉動(dòng)；其三，溫度的變化，將爐內(nèi)劃分為三個(gè)反應(yīng)區(qū)域，高溫區(qū)，中溫區(qū)和低溫區(qū)，它們之間溫度相差不大于400度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒—氧化法生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的反應(yīng)器技術(shù)，其特征在于它工作原理為利用雙層套管結(jié)構(gòu)，在向外拉動(dòng)內(nèi)管過程中產(chǎn)生空氣流，能夠補(bǔ)充反應(yīng)過程中所需要的氧氣，通過控制拉動(dòng)內(nèi)管的速度來控制反應(yīng)過程中的氧氣量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒—氧化法生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的反應(yīng)器技術(shù)，其特征在于它的工作過程為首先，將外管放入管式爐，將爐子升溫至700度以上，溫度穩(wěn)定后，快速將放有鋅粉的內(nèi)管置于高溫區(qū)，由于高溫區(qū)溫度較高，內(nèi)管內(nèi)的氧氣密度低，大量的鋅粉受熱蒸發(fā)為鋅蒸汽后，沒有足夠的氧氣與鋅蒸氣反應(yīng)，因此通過拉動(dòng)內(nèi)管到中溫區(qū)，溫度降低，并產(chǎn)生的空氣流會(huì)補(bǔ)充反應(yīng)所需的氧氣，使氧化鋅產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，得以繼續(xù)生長(zhǎng)；再將其拉入低溫區(qū)使氧化鋅生長(zhǎng)完全。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒—氧化法生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的反應(yīng)器技術(shù)，其特征在于它的工作過程的時(shí)間在1分鐘以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃燒—氧化法生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的反應(yīng)器技術(shù)，其特征在于其內(nèi)管可以用石英舟代替。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過雙層套管結(jié)構(gòu)管式爐，運(yùn)用燃燒—氧化方法合成氧化鋅。其結(jié)構(gòu)由外管、內(nèi)管或石英舟、及水平管式爐構(gòu)成的雙層套管結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器，工作原理是，利用雙層套管結(jié)構(gòu)，在向外拉動(dòng)內(nèi)管過程中產(chǎn)生空氣流，能夠補(bǔ)充反應(yīng)過程中所需要的氧氣，通過控制拉動(dòng)內(nèi)管的速度來控制反應(yīng)過程中的氧氣量。該工藝過程中未使用任何催化劑及添加劑，無污染、屬于綠色環(huán)保工藝，此外本發(fā)明工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)便，成本較低，可以得到了不同形貌的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C01G9/02GK1746113SQ20051009044
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月16日
發(fā)明者曹茂盛, 趙玉娜 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)