采用不同帽剂和结构导向剂制备氧化锌及其光催化性能研究

发布时间：2020-10-29 08:02

　　 氧化锌(ZnO)作为一种新型半导体材料,具有较高的禁带宽度,达到3.37 eV。同时这种材料具有优良的光学性能,激子束缚能达到60 meV,被广泛应用在短波长发光器件、压电传感器、透明导电极、太阳能电池、光催化等领域。通过控制合成氧化锌所需的前驱体以及用量,可以从微观结构中改变氧化锌纳米粉体的形貌,例如颗粒大小、缺陷分布、比表面积等,而这些因素可以在一定程度上提高氧化锌的物理化学性能。基于这一点,在材料生长的过程中,对其结构、组分、形状、尺度和位置进行控制生长,能够实现对其性能进行设计、选择组装,对其各种功能的开发应用有着重要的价值。本文以水热法为合成手段,通过选用合适的模板剂配置反应前驱体溶液,重点对氧化锌纳米结构进行调控,合成了多种形貌新颖的氧化锌微纳米结构,并在此基础上,制备出Ag-ZnO异质结复合材料,同时对其光催化,荧光光谱等一系列性质进行了研究探讨。主要研究结果有:1、通过简单的水热方法,即采用氯化锌作为锌源,以联氨和脲作为结构导向剂辅助水热法合成了花状和中空花状的氧化锌结构,脲有助于形成中空结构,增加晶体缺陷,增强光催化性能。中空花状结构(Z4)的直径可达34μm。XRD结果表明,样品为纯ZnO,随着CO(NH_2)_2的加入从Z1到Z3样品的结晶度降低。随着ZnSO_4浓度的增加,Z4到Z7样品的结晶度先增大后减小最后数值又增加。PL图谱结果显示Z4、Z5和Z7的可见发光峰强度最大。这意味着Z4、Z5和Z7具有较多的晶体缺陷。在紫外光光催化中Z4和Z5具有最好的光催化效果,并且光催化稳定性良好,这一结论在和PL谱结果相一致。2、采用酒石酸(TA)作为模版剂辅助水热合成ZnO,通过改变温度、酒石酸的量、联氨的量以及锌盐成功合成了松饼状、汉堡状、格子状、花状、球状及类球状结构的氧化锌,并利用光致发光测试对其发光性能进行了评价,本体系中ZnO纳米结构在室温下的主要为UV发光峰,样品表现出较高的I_(UV)/I_(DLE)值。同时使用MB和MO作为染色剂对制得的不同样品的光催化性能进行了测试,在90 min内即可降解至90%以上,根据实验结果分析花状结构较为丰富的样品其光催化活性相对较高,这与其丰富的表面形貌造成表面缺陷增加有关。3、以DMF为碱源,酒石酸为帽剂,采用简单的水热法,通过调节DMF和酒石酸的用量,制备出34种球状结构的氧化锌,极大地拓宽了氧化锌合成方法和微观形貌方面的研究,XRD与红外证实所制得产物为纯的六方纤锌矿结构氧化锌,不含其它杂质。不同样品间通过改变TA和DMF的用量就能调节氧化锌晶体的发光强度和发光波长。同时使用MB、MO和RhB作为染色剂对制得的不同样品的光催化性能进行了测试,催化效果略低,这与氧化锌的相貌、表面缺陷有较大的关系。4、首先利用酒石酸-乙醇胺辅助水热法合成空心笼状氧化锌,再利用硼氢化钠还原法制备出Ag-ZnO异质结复合材料,XRD结果显示Ag已成功地负载到ZnO上。Ag仅负载在ZnO表面上而未进入其晶格内。PL谱结果表明随着样品中Ag含量的增加,紫外辐射密度降低。紫外光区强度的降低清楚地表明了电子和空穴的复合效应被抑制,DRS结果显示Ag/ZnO异质结复合材料的吸收光谱由紫外区拓宽至可见光区域,光催化性能得到显著提高。
【学位单位】：江西科技师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;O644.1
【部分图文】：

化锌的纤锌矿结构如图 1-2 所示：氧化锌生长的过程中 C 轴方向和一层锌原子交替生长。锌原子周围连接着四个氧原子同时氧原个锌原子，因此裸露在外带正电荷的锌原子容易吸引带负电荷的同样裸露在外带负电荷的氧原子极易吸引带正电荷的原子或基团原子生长过程中加入带有正负电荷的原子或基团，带电荷的原子裸露的锌或氧原子相结合对氧化锌晶体生长形成一种抑制作用，作用的物质在合成氧化锌的过程中即为一种帽剂。

图 1-2 纤锌矿结构 ZnO材料的合成方法料的制备方法多种多样，按照制备方式不体反应物通过研磨的方法均匀混合，通过晶体。这种方法制备工艺简单，反应不需克服微粒团聚的现象，产量较高。但是固环境，能耗较高，样品颗粒大，并且因为法有物理气相法(PVD)和化学气相法(CVD且分散性好。化学气相法其特点是沉积温苛刻，重复性低，不易于大规模生产。气[5]

图 1-3 半导体表面发生光催化氧化反应的机理（organic 代表有机污染物）常见的半导体材料的能带位置和它们的氧化还原电势图如图 1-4 所示。光催化的进行分如下两种情况：(1)半导体还原反应的导带要比受体有更负的电位，例如图中的 ZnO 和 GaAs，这种半导体材料可以在光照下还原水生成氢气；(2)半导体氧化还原反应的价带电位要比给体的更正，这种材料可以在光照下氧化水生成氧气，例如图中的 MoS2和 Fe2O3。
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本文编号：2860612