硒化锌空心微米球的制备方法与流程

本发明属于纳米材料制备的技术领域，特别是涉及一种硒化锌空心微米球的制备方法。

背景技术：

硒化锌是一种重要的ⅱ-ⅳ族半导体材料，在室温下其禁带宽度为460nm，具有优异的光学及光电学等特性，在光致发光器件、太阳能电池和蓝绿光发光二极管等领域有着良好的应用前景。空心微米球具有独特结构和功能，在医药、制药、材料科学和涂料行业具有特殊的应用．由于其中空结构，包裹一些客体大分子—产品封装，防止有毒物质、化妆品、燃料、油墨的挥发，同时还保护一些光敏感元件、材料、涂料等。空心微米球状结构，具有内部空间比例大，比表面积高，密度低，折射率低等特性。因此硒化锌(znse)空心微米球在微反应器、催化剂、光子晶体和可控缓释技术、高性能锂离子电池、医药学、材料科学、燃料工业等领域具有良好的发展前景，还可作为轻质结构材料、隔热、隔声和电绝缘材料等。

znse微米球通过多种方法制备，如水热反应法、热蒸发法、热溶剂法等。上述制备过程反应耗时长，产量小，甚至需要添加反应催化剂，导致成本过高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种硒化锌空心微米球的制备方法，其能够通过一种新型的物理方法来克服硒化锌纳米材料制备过程中的困难和缺点，其制备过程简单、产量高、样品纯度高，降低成本。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种硒化锌空心微米球的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一、将硒粉、锌粉按摩尔比1：1比例混合均匀，压成密度为2~3g/cm³的混合粉的压块；

步骤二、将压块置于石墨锅内，放入直流电弧放电装置的反应室内的铜锅阳极中，钨棒阴极与铜锅阳极相对放置；

步骤三、将反应室抽成真空后充入氮气，氮气气压为10~40kpa，铜锅通入循环冷却水，开始放电；

步骤四、在放电过程中保持电压为20~40v，电流为80~120a，反应1~2分钟；

步骤五、在氮气环境中钝化6～8小时，石墨锅中收集黄色絮状物为硒化锌空心微米球。

优先地，所述反应原料为硒粉、锌粉，且摩尔比为1：1。

优先地，所述氩气气压为30kpa。

优先地，所述放电过程中，保持电压为30v，电流为80a，反应为2分钟。

优选地，所述步骤三，在铜锅通入循环冷却水，其为制备硒化锌空心微米球的关键，能在反应结束后使石墨埚的温度迅速下降，样品沉积的区域与反应源有较大的温度梯度，放电时反应腔产生高温，由于冷却水的作用使冷凝壁和石墨埚与电弧源产生温度梯度，从而得到高纯度的硒化锌空心微米球。

优选地，所述直流电弧放电装置包括外玻璃罩、冷凝壁、由钨棒构成的阴极、由铜锅构成的阳极、铜锅中用于放置反应初始原料的石墨锅、电焊机。进水口、出水口、进气口、出气口，冷凝壁、阴极、阳极都位于外玻璃罩与不锈钢底座封闭真空腔内，进水口、出水口、进气口、出气口都与不锈钢底座相连，由铜锅构成的阳极与铜锅中用于放置反应初始原料的石墨锅相连，直流电弧装置的阳极和阴极分别同外置电焊机的阳极和阴极相连。

本发明的积极进步效果在于：本发明能够利用直流电弧放电装置制备硒化锌空心微米球具有方法新颖简单、反应快速、低成本、无污染、产量大、样品纯度高、可重复性好、无需添加任何催化剂、模板、基底等优点，制备的产品在太阳能电池的吸收层、光电子器件、近红外探测器、锂电池阳极、半导体传感器领域具有应用潜力。

附图说明

图1为本发明使用的直流电弧放电装置的结构示意图。

图2是实施例1制得的znse空心微米球的扫描电子显微镜图。

图3是实施例1制得的znse空心微米球的扫描电子显微镜图。

图4是实施例1制得的znse空心微米球的x射线衍射图。

图5是实施例1制得的znse空心微米球的能量弥散x射线谱图。

图6是实施例2制得的znse空心微米球的扫描电子显微镜图。

图7是实施例2制得的znse空心微米球的x射线衍射图。

图8是实施例3制得的znse空心微米球的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

本发明硒化锌空心微米球的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将硒粉、锌粉按摩尔比1：1比例混合均匀，压成密度为2~3g/cm³的混合粉的压块；

步骤二、将压块置于石墨锅内，放入直流电弧放电装置的反应室内的铜锅阳极中，钨棒阴极与铜锅阳极相对放置；

步骤三、将反应室抽成真空后充入氮气，氮气气压为10~40kpa，铜锅通入循环冷却水，开始放电；具体是在铜锅阳极和冷凝壁中通入循环冷却水。

步骤四、在放电过程中保持电压为20~40v，电流为80~120a，反应1~2分钟；

步骤五、在氮气环境中钝化6～8小时，石墨锅中收集黄色絮状物为硒化锌空心微米球。硒化锌空心微米球为立方相硒化锌空心微米球，这样方便使用。在氮气环境中钝化6～8小时可以防止硒化锌空心微米球的氧化和形貌改变。

所述步骤三中，在铜锅中通入循环冷却水，其为制备znse空心微米球的关键，能在反应结束后使石墨埚的温度迅速下降，样品沉积的区域与反应源有较大的温度梯度，放电时反应腔产生高温，由于冷却水的作用使冷凝壁和石墨埚与电弧源产生温度梯度，从而得到高纯度的znse空心微米球。

如图1所示，所述直流电弧放电装置包括外玻璃罩、冷凝壁、由钨棒构成的阴极、由铜锅构成的阳极、铜锅中用于放置反应初始原料的石墨锅、电焊机。进水口、出水口、进气口、出气口，冷凝壁、阴极、阳极都位于外玻璃罩与不锈钢底座封闭真空腔内，进水口、出水口、进气口、出气口都与不锈钢底座相连，由铜锅构成的阳极与铜锅中用于放置反应初始原料的石墨锅相连，直流电弧装置的阳极和阴极分别同外置电焊机的阳极和阴极相连。这种装置结构简单，成本低，使用方便。

实施例1

将锌(zn)粉、硒(se)粉按照摩尔比为1：1的比例放入混料机中混合均匀。取出4g的混合粉，使用压片机压块，压成直径为1.8cm、高为0.5cm的圆柱体，具体是密度为2.5g/cm³的混合粉的压块；将压成的混合粉的压块放入石墨锅，再放入直流电弧放电装置的反应室内的阳极中；直流电弧放电装置的阳极为铜锅，铜锅内放置有共同作为阳极的电极石墨锅，阴极为钨电极，钨棒阴极与铜锅阳极相对放置；将直流电弧放电装置的反应室抽成真空（小于5pa），然后充入10kpa（气压）氮气，铜锅通入循环冷却水，开始放电；在放电过程中保持电压为20v，电流为100a，反应1分钟；再在氮气环境中钝化7小时，然后在石墨埚中收集黄色的znse空心微米球。

图2给出上述条件制备的znse空心微米球的扫描电子显微镜图，可以看出样品为微米球，部分球损坏可以看出微米球为空心。微米球直径为4-5µm.图3给出上述条件制备的znse空心微米球的高倍扫描电子显微镜图，可以看出空心微米球的壁由纳米颗粒组成，纳米颗粒的直接为200nm。图4给出上述条件制备的纳米带的能量弥散x射线谱图，可以得出纳米片是zn和se两种元素组成，并且元素的原子比例为1：1。图5给出上述条件制备的znse空心微米球的x射线衍射谱图，证明样品为纯度高的立方相znse。

实施例2

将zn粉、se粉按照摩尔比为1：1比例放入混料机中混合均匀，取出4g的混合粉，使用压片机压块，压成直径为1.8cm、高为0.5cm的圆柱体，具体是密度为2g/cm³的混合粉的压块；将压成的混合粉的压块放入石墨锅内，再放入直流电弧放电装置的反应室内阳极中。电弧放电装置的阳极为铜锅，铜锅内放置有共同作为阳极的电极石墨锅，阴极为钨棒电极，钨棒阴极与铜锅阳极相对放置；将直流电弧放电装置的反应室抽成真空（小于5pa），然后充30kpa（气压）氮气，铜锅通入循环冷却水，开始放电；在放电过程中，保持电压为40v，电流为120a，反应2分钟后，再在氮气环境中钝化6小时，在冷凝壁上收集黄色絮状物的znse样品。图6给出上述条件制备的znse的扫描电子显微镜图，确认制得znse为纳米颗粒。图7给出上述条件制备的znse空心微米球的x射线衍射谱图，证明样品为立方相和六角相混合的znse。

实施例3

将zn粉、se粉按照摩尔比为1：1放入混料机中混合均匀，取出5g的混合粉，使用压片机压块，压成直径为3cm、高为3cm的圆柱体，具体是密度为3g/cm3的混合粉的压块；将压成的混合粉的压块放入石墨锅内，再放入直流电弧放电装置的反应室内阳极中。电弧放电装置的阳极为铜锅，铜锅内放置有共同作为阳极的电极石墨锅，阴极为钨棒电极，钨棒阴极与铜锅阳极相对放置；将直流电弧放电装置的反应室抽成真空（小于5pa），然后充40kpa（气压）氮气，铜锅通入循环冷却水，开始放电，在放电过程中，保持电压为30v，电流为80a；反应1.5分钟后，再在氮气环境中钝化8小时，在石墨埚中收集的黄色絮状物为znse样品。图7给出上述条件制备的znse的扫描电子显微镜图，确认制得的是znse空心微米球和微米颗粒。

本发明利用直流电弧放电装置制备znse微米球具有方法新颖简单、反应快速、低成本、无污染、产量大、样品纯度高、可重复性好、无需添加任何催化剂、模板、基底等优点，制备的产品在太阳能电池的吸收层、光电子器件、近红外探测器、锂电池阳极、半导体传感器等领域具有应用潜力。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。