本发明属于不锈钢表面纳米棒阵列技术领域。涉及一种不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列的制备方法。
背景技术：
氧化锌作为半导体材料的研究与制备由来已久，随着纳米材料科学的发展，ZnO纳米阵列的研究掀起了新的热潮。ZnO纳米材料在电致发光、太阳能电池、光催化和传感器等领域均有具有重要应用。然而，ZnO纳米材料的制备和应用也存在一些问题，需要适合工业生产的制备工艺以及合适的衬底材料以适应恶劣的环境。不锈钢材料具有优越的耐腐蚀性、耐磨性和强韧性，能适应较为恶劣的污染环境，同时，具有良好的易加工性、稳定性、导电性和导热性，有利于提高ZnO纳米材料的光催化效率。目前，制备氧化锌薄膜的方法有金属有机化学气相沉积、分子束外延、脉冲激光沉积、电化学沉积等，这些方法都存在各自的缺点，如金属有机化学气相沉积、分子束外延、脉冲激光沉积等方法所需设备昂贵、成本高，对基材要求苛刻；如电化学沉积法所需生长时间较长，一般在两个小时以上，所得纳米结构取向性差。
微波水热法微波可通过被加热物质对微波的介质损耗而实现体相的“穿透式”加热，进而使得被加热物质在很短的时间(甚至是瞬间)即可达到数百甚至数千摄氏度的高温。因此，微波加热表现出加热效率高、没有热惯性、节能和快速等优点，可轻易的实现快速升温，或高频次的规模化生产，同时微波过程可以迫使微波场中的物质按照微波的运动方向进行运动，使纳米材料趋向有序化，定向性好。但是，这种有序化定向生长的前提是将基材表面进行铺晶种膜处理，利用晶种快速成核促使纳米材料结晶生长。铺晶种膜处理是一个长时间反复的过程，大大延长了纳米材料制备过程，不利于工业化推广。
技术实现要素：
本发明旨在克服已有技术中缺陷，目的是提供一种简单有效、环境友好和成本低廉的不锈钢表面制备氧化锌纳米棒阵列的制备方法。用该方法制备的不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列的结构规整有序、光催化和光电化学性能优良、与基材结合牢固、耐腐蚀性强和硬度高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先将不锈钢先后在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波炉辐照1～5次，每次辐照的时间为0.5～10min，每次辐照的间隔时间为5～10s，即得不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列。
所述混合溶液为锌离子溶液、氨离子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：锌离子溶液浓度为0.001～0.1mol/L，氨离子溶液的浓度为0.001～0.1mol/L，氧化石墨烯的浓度为0.01～2g/L；所述混合溶液的pH值为8～10。
所述锌离子溶液为硫酸锌溶液、硝酸锌溶液和氯化锌溶液中的一种。
所述氨离子溶液为六亚甲基四胺溶液、氨水和尿素溶液中的一种。
所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的尺寸为1nm～10μm，层数为1～30层。
所述微波炉为普通商用微波炉、或为工业用微波炉，所述微波炉的输出功率为50～500W。
由于采用上述方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)本发明的制备过程所需时间短，生产工艺简单，效率高；所需的仪器设备投资少；所用原料价格低廉，利用率高，没有环境污染，适于批量生产。
2)本发明采用的微波水热法属于非线性过程，可对大面积和形状复杂的不锈钢制品进行纳米化处理。
3)本发明的工艺参数可精确控制，通过改变反应时间、反应温度、辐照强度和溶液浓度，能调整ZnO纳米棒阵列的形貌、组成和微观结构，定向性好，重复性好。
4)本发明制得的不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列基于氧化石墨烯膜层，与不锈钢基材结合力强，且附着均匀牢固，无脱落现象，耐腐蚀性强，硬度高。
5)本发明制得的不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列，在模拟太阳光辐照下(100mW·cm-2)的光电流密度为1×10-4～3×10-4A·cm-2，而普通方法制得的ZnO纳米棒阵列的光电流密度为1×10-6～2×10-5A·cm-2；对罗丹明B的光催化降解率达到90％(辐照60min)以上，而普通方法制得的ZnO纳米棒阵列的降解率为57％。结果表明，制得的不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列具有优良的光催化和光电化学性能。
因此，本发明工艺简单、快速有效、环境友好和成本低廉；所制备的不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列的光催化和光电化学性能优良，纳米结构的形貌和微观结构可控、与基材结合牢固、耐腐蚀性强和硬度高。
具体实施方式
下面结合具有实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的技术参数统一描述如下：
所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的尺寸为1nm～10μm，层数为1～30层。
实施例1
一种不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列的制备方法。先将不锈钢先后在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波炉辐照1～2次，每次辐照的时间为0.5～1min，每次辐照的间隔时间为5～10s，即得不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列。
所述混合溶液为锌离子溶液、氨离子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：锌离子溶液浓度为0.001～0.005mol/L，氨离子溶液的浓度为0.001～0.005mol/L，氧化石墨烯的浓度为0.01～0.05g/L；所述混合溶液的pH值为8～10。
所述锌离子溶液为硝酸锌溶液。
所述氨离子溶液为氨水。
所述微波炉为工业用微波炉，所述微波炉的输出功率为400～500W。
实施例2
一种不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列的制备方法。先将不锈钢先后在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波炉辐照2～3次，每次辐照的时间为1～3min，每次辐照的间隔时间为5～10s，即得不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列。
所述混合溶液为锌离子溶液、氨离子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：锌离子溶液浓度为0.005～0.01mol/L，氨离子溶液的浓度为0.005～0.01mol/L，氧化石墨烯的浓度为0.05～0.1g/L；所述混合溶液的pH值为8～10。
所述锌离子溶液为氯化锌溶液。
所述氨离子溶液为六亚甲基四胺溶液。
所述微波炉为普通商用微波炉，所述微波炉的输出功率为200～400W。
实施例3
一种不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列的制备方法。先将不锈钢先后在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波炉辐照3～4次，每次辐照的时间为3～7min，每次辐照的间隔时间为5～10s，即得不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列。
所述混合溶液为锌离子溶液、氨离子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：锌离子溶液浓度为0.01～0.05mol/L，氨离子溶液的浓度为0.01～0.05mol/L，氧化石墨烯的浓度为0.1～1g/L；所述混合溶液的pH值为8～10。
所述锌离子溶液为硫酸锌溶液。
所述氨离子溶液为尿素溶液。
所述微波炉为普通商用微波炉，所述微波炉的输出功率为100～200W。
实施例4
一种不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列的制备方法。先将不锈钢先后在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗，吹干，浸入混合溶液中，在微波炉辐照4～5次，每次辐照的时间为7～10min，每次辐照的间隔时间为5～10s，即得不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列。
所述混合溶液为锌离子溶液、氨离子溶液和氧化石墨烯溶液的混合溶液，其中：锌离子溶液浓度为0.05～0.1mol/L，氨离子溶液的浓度为0.05～0.1mol/L，氧化石墨烯的浓度为1～2g/L；所述混合溶液的pH值为8～10。
所述锌离子溶液为硝酸锌溶液。
所述氨离子溶液为氨水。
所述微波炉为普通商用微波炉，所述微波炉的输出功率为50～100W。
本具体实施方式与现有技术相比，具有以下优点：
1)本具体实施方式的制备过程所需时间短，生产工艺简单，效率高；所需的仪器设备投资少；所用原料价格低廉，利用率高，没有环境污染，适于批量生产。
2)本具体实施方式采用的微波水热法属于非线性过程，可对大面积和形状复杂的不锈钢制品进行纳米化处理。
3)本具体实施方式的工艺参数可精确控制，通过改变反应时间、反应温度、辐照强度和溶液浓度，能调整ZnO纳米棒阵列的形貌、组成和微观结构，定向性好，重复性好。
4)本具体实施方式制得的不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列基于氧化石墨烯膜层，与不锈钢基材结合力强，且附着均匀牢固，无脱落现象，耐腐蚀性强，硬度高。
5)本具体实施方式制得的不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列，在模拟太阳光辐照下(100mW·cm-2)的光电流密度为1×10-4～3×10-4A·cm-2，而普通方法制得的ZnO纳米棒阵列的光电流密度为1×10-6～2×10-5A·cm-2；对罗丹明B的光催化降解率达到90％(辐照60min)以上，而普通方法制得的ZnO纳米棒阵列的降解率为57％。结果表明，制得的不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列具有优良的光催化和光电化学性能。
因此，本具体实施方式工艺简单、快速有效、环境友好和成本低廉；所制备的不锈钢表面氧化锌纳米棒阵列的光催化和光电化学性能优良，纳米结构的形貌和微观结构可控、与基材结合牢固、耐腐蚀性强和硬度高。