本文選題：氧化鋅 + 納米結(jié)構(gòu)�。� 參考：《吉林大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：氧化鋅(ZnO)是納米科技應(yīng)用中研究最廣泛的納米材料之一，它是II-VI族化合物寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約為3.37eV，室溫下的激子束縛能高達(dá)60meV。ZnO在太陽(yáng)光、水以及空氣等自然環(huán)境下非常穩(wěn)定，這一特質(zhì)使它作為一種多功能材料被廣泛地應(yīng)用于光電子設(shè)備，電化學(xué)設(shè)備以及光化學(xué)設(shè)備等。ZnO可能是擁有最多納米結(jié)構(gòu)的家族，可調(diào)控的納米尺寸以及獨(dú)特的形態(tài)使它有很多令人滿(mǎn)意的物理和化學(xué)性能。本論文主要針對(duì)它的光學(xué)性能和光催化性能進(jìn)行了的研究。通常情況下，ZnO的發(fā)光峰由近帶邊紫外發(fā)射和深能級(jí)可見(jiàn)光發(fā)射組成。我們研究了納米晶粒徑尺寸變化到很小時(shí)ZnO光學(xué)性能的改變。而ZnO作為最常用的光催化劑，如何拓寬它的光譜響應(yīng)以及提高光催化活性是研究的重點(diǎn)，我們采用了摻雜、表面修飾以及多元復(fù)合等改性手段來(lái)提高其光催化活性。本論文的主要研究工作有以下幾個(gè)方面： 1.采用脈沖激光沉積技術(shù)制備了納米晶ZnO薄膜，并通過(guò)調(diào)節(jié)激光能量密度得到不同晶粒尺寸的薄膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄膜的晶粒尺寸減小到20nm的時(shí)候，薄膜展示了獨(dú)特的光學(xué)性能。它的光致發(fā)光譜有三個(gè)寬的發(fā)射峰，位于紫外-紫光區(qū)、黃-綠-橙光區(qū)以及紅光區(qū)。而它的紫外-可見(jiàn)光透過(guò)率譜則顯示出了兩個(gè)特點(diǎn)，對(duì)紫外光的半透過(guò)以及可見(jiàn)光區(qū)沒(méi)有干涉波。經(jīng)表征后發(fā)現(xiàn)超細(xì)納米晶薄膜由于晶粒尺寸極其細(xì)小，大量晶界和畸變導(dǎo)致很多結(jié)構(gòu)缺陷，正是這些大量的缺陷以及量子限域效應(yīng)引起了異常的光學(xué)現(xiàn)象。 2.采用濕化學(xué)法制備了Fe摻雜ZnO納米棒支撐膜，并對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)、形貌特征、化學(xué)成分、光學(xué)性能以及光催化性能等進(jìn)行了表征和測(cè)試。研究表明，F(xiàn)e摻雜進(jìn)入了ZnO晶格，并以Fe2+和Fe3+價(jià)態(tài)共同存在，在ZnO的晶體結(jié)構(gòu)中引入了大量的缺陷，并在ZnO能級(jí)中引入了新的電子態(tài)，形成了可以捕捉多余可見(jiàn)光子的中間陷阱能級(jí)，從而導(dǎo)致吸收光的增加。Fe摻雜的ZnO納米棒樣品的光催化活性獲得了顯著的提高，是因?yàn)橹虚g陷阱能級(jí)捕捉電子促進(jìn)了光生電荷的分離，但是隨著摻雜濃度的增加，晶格中多余的Fe離子會(huì)成為電子和空穴的復(fù)合中心，反而使得光催化活性有所下降。因此，1.0%Fe摻雜ZnO的納米棒支撐膜表現(xiàn)出了最佳的光催化活性。 3.采用多步化學(xué)合成法制備了非晶態(tài)TiO2修飾ZnO納米棒薄膜，首先用濕化學(xué)法合成了ZnO納米棒薄膜，其次對(duì)納米棒的頂部和側(cè)面進(jìn)行腐蝕，最后利用水解法在腐蝕面上生長(zhǎng)出一層非晶態(tài)TiO2。研究發(fā)現(xiàn)，，經(jīng)非晶態(tài)TiO2修飾的ZnO納米棒薄膜在可見(jiàn)光區(qū)的吸收明顯增加，我們把它歸因于引入的非晶態(tài)在表面的無(wú)序結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了樣品帶隙尾的延伸。光降解實(shí)驗(yàn)研究表明非晶態(tài)TiO2修飾的ZnO納米棒薄膜光催化活性有所提高，除了光吸收增加這個(gè)因素之外，XPS價(jià)帶分析顯示TiO2和ZnO形成了階梯狀的能帶結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了光生電子和空穴的分離延長(zhǎng)了光生載流子的壽命也是催化活性提高的主要原因。 4.利用溶劑熱法合成了超細(xì)納米晶ZnO粉末，平均晶粒尺寸約為12.5nm。納米晶ZnO的室溫光致發(fā)光譜中可見(jiàn)光的峰強(qiáng)度增大，顯示超細(xì)納米晶粒晶體內(nèi)部存在著大量的本征缺陷。光降解實(shí)驗(yàn)表明，納米晶ZnO粉末有著與商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)光催化劑P25TiO2相比擬的光催化活性。此外，它們可以很容易地從溶液中沉淀下來(lái)，有很好的回收利用率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)P25TiO2，開(kāi)拓了納米晶ZnO粉末的應(yīng)用前景。我們把這種優(yōu)異的光催化性能歸因于小的納米尺寸以及晶格內(nèi)適量的氧空位缺陷的協(xié)同效應(yīng)。 5.采用一步溶劑熱法合成了納米結(jié)構(gòu)的Bi-Bi2O2CO3-ZnO三元復(fù)合物。復(fù)合物是由直徑為30~40nm的ZnO納米棒鑲嵌在Bi2O2CO3(BOC)薄片上組成的，在BOC薄片上還有少量的Bi顆粒分布，三種物質(zhì)組裝成了微米團(tuán)簇。這種三元復(fù)合物在Bi-BOC含量較低時(shí)能夠保持與ZnO相同的優(yōu)異的紫外光吸收能力。對(duì)于光降解甲基橙和苯酚實(shí)驗(yàn)，樣品在紫外光和可見(jiàn)光下都有很好的催化活性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一物質(zhì)或二元復(fù)合物，特別是當(dāng)Bi-BOC含量為20mol%時(shí)光催化活性最優(yōu)。重復(fù)性實(shí)驗(yàn)表明樣品有可靠的穩(wěn)定性和回收利用率，這應(yīng)該得益于樣品的納米結(jié)構(gòu)組成微米團(tuán)簇這種形貌特征。良好的光催化活性應(yīng)該是由于異質(zhì)結(jié)表面和化合物的能帶結(jié)構(gòu)提供了有效的電荷轉(zhuǎn)移路徑并且有利于光生電荷的分離，另外，金屬Bi也起到電子陷阱的積極作用。目前的研究為制備應(yīng)用光能來(lái)治理環(huán)境污染以及能源轉(zhuǎn)化的異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米材料提供了一種簡(jiǎn)便有效的方法。
[Abstract]:Zinc oxide ( ZnO ) is one of the most widely used nano materials in nano - technology applications . It is a kind of wide bandgap semiconductor material of II - VI compound . The band width is about 3.37eV . The exciton binding energy at room temperature can be as high as 60meV . ZnO is widely used as a kind of multi - functional material in optoelectronic devices , electrochemical devices and photochemical equipment .

1 . The nanocrystalline ZnO films were prepared by pulsed laser deposition , and the films with different grain sizes were obtained by adjusting the laser energy density . The results showed that when the grain size of the films was reduced to 20 nm , the films exhibited unique optical properties .

2 . Fe - doped ZnO nanorod support films were prepared by wet chemical method . The crystal structure , morphology , chemical composition , optical properties and photocatalytic properties of ZnO nanorods were characterized and tested .

3 . An amorphous TiO2 modified ZnO nanorod film was prepared by a multi - step chemical synthesis method . First , ZnO nanorods were synthesized by wet chemical method , and then a layer of amorphous TiO2 was grown on the top and side surfaces of nanorods .

4 . The ultra - fine nanocrystalline ZnO powder was synthesized by solvent thermal method . The average grain size was 12.5 nm . The peak intensity of visible light in the room temperature photoluminescence spectra of the nanocrystalline ZnO was increased . The photocatalytic activity of the nanocrystalline ZnO powder was shown .

5 . The Bi - Bi2O2CO3 - ZnO ternary complex is synthesized by one - step solvent thermal method . The composite is composed of ZnO nanorods with diameter of 30 - 40 nm on Bi2O2CO3 ( BOC ) sheet .
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.1;O614.241

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 ;Superhydrophobic Behavior and Optical Properties of ZnO Film Fabricated by Hydrothermal Method[J];Journal of Materials Science & Technology;2012年02期

2 M. Faisal;Sher Bahadar Khan;Mohammed M. Rahman;Aslam Jamal;Kalsoom Akhtar;M.M. Abdullah;;Role of ZnO-CeO_2 Nanostructures as a Photo-catalyst and Chemi-sensor[J];Journal of Materials Science & Technology;2011年07期

本文編號(hào)：2101011