氧化锌纳米棒载量子点的制备和光-电性能研究

发布时间：2020-08-22 19:21

【摘要】：一维氧化锌(ZnO)纳米材料比表面积大、具有独特的光、电和化学特性,同时一维ZnO纳米材料合成成本低、可控性和生物相容性好,这些特点使其成为当前纳米科学领域研究的热点。窄带隙的量子点半导体材料的荧光量子产率高,具有优良的光谱性能,可通过尺寸调控其能带间隙与太阳光谱中可见光到近红外光区相匹配,光照下能产生多激子,太阳能吸收利用效率高。窄带隙量子点材料与一维ZnO纳米材料复合不仅可以兼具两者的优异特性,而且可以产生新的协同效应:(1)氧化锌纳米棒大的比表面积不仅可以增加量子点的负载量,而且可以为量子点与基底电极的电子传递提供有效的通道,因而可以显著地改善量子点的光电性能;(2)窄带系的量子点可以吸收可见光,从而可以弥补氧化锌在太阳能利用方面的不足;(3)宽带系的氧化锌与窄带系的量子点还可以形成II型异质结构,从而有利于电子转移和电荷分离。本论文探索了两种将窄带隙的量子点半导体材料负载到ZnO纳米棒阵列的制备方法,并对其光-电转换性能进行了系统地研究,进而利用其光-电性能实现了苯酚高效去除和肿瘤细胞的电致化学发光检测。主要内容概括如下:采用水热合成方法制备了ZnO纳米棒阵列,并对水热过程中ZnO纳米棒阵列形貌的影响因素进行了系统的研究,发现高浓度的前驱液和籽晶层辅助生长都有利于得到直立均匀的ZnO纳米棒阵列。如果不更换反应前驱液,即使延长反应时间,ZnO纳米棒阵列的长度也没有明显的增长。每隔2.5 h更换新鲜的反应前驱液,ZnO纳米棒阵列的长度会随着反应时间增加而相应的增长。利用静电吸附层层自组装方法和连续离子吸附反应的方式分别在ZnO纳米棒上包覆Cd Te和Cd S量子点壳层,以SEM、TEM、XRD、EDX等多种表征手段证实了量子点壳层结构的形成,并对两种制备方法获得的量子点-ZnO异质结构的光-电转换特性进行了深入的研究。研究表明:(1)量子点壳层的存在导致量子点和氧化锌的荧光均发生显著的淬灭现象,说明氧化锌与量子点可以形成II型能带排布异质结构,从而有利于光生电子与空穴的有效分离。(2)两种方法制备的量子点-ZnO纳米棒复合结构均显示出稳定、快速响应的光电性能,且ZnO纳米棒阵列长度和量子点包覆层数影响复合结构的光电性能,结果表明生长时间为10 h的ZnO纳米棒阵列,量子点循环包覆次数为20次时的光电性能最好。同时比较分析了两种包覆方式对光电性能的影响。(3)Cd S/ZnO纳米棒复合结构还表现出良好的电致化学发光性能,并以Cd S/ZnO纳米棒复合结构的电致化学发光性能为基础,制备了一种新型的基于Cd S/ZnO/APTES复合纳米材料的肿瘤细胞检测体系。对细胞检测体系的构建进行了表征和条件优化并对其稳定性和特异性等进行了深入研究,对于细胞检测的研究表明检测的线性范围是300~10000个细胞/m L,检测限为256个细胞/m L。重点考察了ZnO纳米棒阵列和APTES在体系ECL信号增强方面所起的作用和相关机理。该研究拓展了ZnO纳米棒阵列在ECL生物分析领域的应用,为肿瘤细胞的检测提供了新的思路。研究了Cd Te/ZnO和Cd S/ZnO纳米棒复合结构在可见光下光电协同降解苯酚的性能,通过比较光解、电解、光催化和光电催化苯酚的降解效率及矿化能力,发现光电协同降解苯酚的TOC清除率是光催化降解的50倍,说明光电协同效应以及外加电压在光电协同降解苯酚中具有重要作用,大大地提高了降解苯酚的矿化度,同时从异质结构吸收光谱变化、能级变化和能带位置、载流子分离能力以及聚合物影响等方面,分析造成这两个体系光电协同降解苯酚活性不同的可能原因和不同影响因素在其中所起的作用;并系统地研究了催化反应体系的p H值、起始浓度、氧环境、空穴和羟基自由基清除剂等因素对光电协同降解活性的影响,ESR谱进一步证实了催化反应中羟基自由基的存在,同时说明Cd Te/ZnO体系产生氢氧自由基的能力比纯ZnO纳米棒阵列更强。随后通过UPLC和GC-MS对光电协同降解苯酚过程中产生的中间产物进行了监测,结果表明降解过程中没有产生光催化苯酚中常见的对苯醌、对苯二酚等中间产物,说明光电协同降解苯酚具有更高的效率。最后,在此基础上,提出了Cd Te/ZnO纳米棒复合结构在可见光下光电协同降解苯酚的主要机理。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O614.241
【图文】：

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