碳纤维纸上ZnO纳米阵列的制备及其光电性质的研究

发布时间：2020-03-25 04:53

【摘要】：ZnO是由Zn元素和O元素组成的半导体材料。ZnO因其在光学和电学等方面性能优异,已被应用于诸多领域:光催化降解污水,光电探测器,LED发光,激光二极管等。但其生长所用衬底、形貌的可控制备、缺陷态的研究等还不够充分,此外,虽然本征ZnO在光电方面有着较高的量子转换率,但其禁带宽度限制了对占太阳能43%的可见光的吸收,因此开发能在可见光波段具有响应能力的ZnO具有十分重要的意义。在本文研究中,利用水热法在碳纤维纸上制备ZnO纳米阵列,并将其应用于光催化和光电探测上。具体内容如下:1.基于碳纤维纸上,采用简单水热法在其上制备了含有稳定缺陷态的ZnO纳米阵列;表征结果显示:该纳米阵列ZnO结构是由若干个纳米级的纳米棒集合而成,垂直原位生长于碳纤维纸上。利用XPS、PL和EPR对所制备样品的缺陷态进行了综合的测试与对比分析;最终得到:所制备的样品是由多根ZnO纳米棒集合而成的,样品中没有单质锌即0价的锌存在,锌元素的主要是以+2价态存在于体系中的;据此我们推测我们所制备的ZnO纳米阵列因为有稳定0价的氧空位(Vo)使得材料能在可见光波段下稳定工作的。2.基于上述已制备好的ZnO纳米阵列进行可见光下光催化降解罗丹明B实验。实验结果为:在可见光照射下,140min后罗丹明B降解90%左右;重复该实验5次,实验结果每次基本相同,稳定性优秀。为了进一步定量说明实验结果,建立了数学模型。发现降解率k与罗丹明B浓度C和罗丹明B初始浓度C0满足一定的线性关系,并计算出常数k为0.010 min~(-1)。结合第三节对样品的结构与能带分析,从氧空位的缺陷态解释了样品在可见光下降解的机理。3.基于上述已制备好的ZnO纳米阵列进行可见光下光电探测实验。实验结果为:在可见光的照射下,周期为40s,循环四十次实验条件下,明暗电流在500s后稳定不变。明电流约为0.75μA,暗电流约为0.28μA,明暗电流比约为2.67;明电流上升时间下降时间分别为2.31s和8s。进过分析:ZnO禁带宽度(Eg)为3.25e V,氧空位形成的能级距离价带顶约为2.10e V。作为n型半导体,ZnO阵列将使得水变为H2和并形成正电中心,ZnO费米能级高于水中氢能级,电子首先进入ZnO中并达到新的平衡;形成的内建电场以肖特基势垒工作。
【图文】：

半导体光催化的形成过程

不同ZnO纳米颗粒的紫外光光降解效率图，(a)亚甲基蓝，(b)罗丹明BFangzhouLiu[13]
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304

【参考文献】

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1 王青;夏咏梅;何祖明;李新丽;乜伟;徐莺歌;;染料敏化太阳能电池光阳极及其敏化研究进展[J];科技导报;2009年01期

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本文编号：2599429