纳米ZnO及ZnO/稀土粒子的制备和性能的研究

论文摘要

ZnO是一种重要的半导体材料,室温下的带隙宽为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV。由于其良好的光电性能,可以广泛应用在室温紫外激光器,传感器和光催化等领域。ZnO中存在氧空位、锌间隙等诸多本征点缺陷,对ZnO进行掺杂是改进其性能的方法之一。本文采用水热法制备了La掺杂ZnO粉体,讨论了pH、掺杂量、反应时间对ZnO复合粒子的粒径和形貌的影响,并通过XRD、SEM、EDS、UV-Vis对产物进行表征。结果表明,掺杂La时,出现抑制ZnO生长的现象,得到粒径为20-40 nm的ZnO/La2O3复合粉体;由于La3+离子的半径比Zn2+离子的半径大,当La掺杂进入ZnO晶格中,造成局部晶格的畸变,导致晶胞参数的改变;La掺杂量为3%时提高了ZnO的光催化活性。采用高分子网络法制备了La、Y、Nd对ZnO掺杂的复合粉体,讨论了掺杂量、烧结温度对粒径和形貌的影响,并通过XRD、SEM、TEM、EDS和FT-IR对产物进行表征。结果表明,La、Y、Nd的掺杂对ZnO的生长产生了抑制的作用,复合粒子的粒径随掺杂量的增加而减小,随烧结温度的升高而增大。采用微波法和微波水热法制备纳米ZnO粉体,讨论了pH对微波水热法和传统水热法制备粒子尺寸和形貌的影响,并通过XRD和SEM对产物进行表征。结果表明,微波在合成中具有节能高效的特点,可直接合成形貌均一,粒径为37.8 nm的纳米粒子。采用聚苯胺对ZnO、ZnO/La2O3、ZnO/Y2O3、ZnO/Nd2O3表面修饰制备得到导电复合材料,并通过XRD、SEM进行表征。通过四探针电导率仪测试,ZnO-PANI为2.326 s·m-1,比掺杂稀土时高一个数量级。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料的发展简史
• 1.2 纳米材料的特性
• 1.2.1 小尺寸效应
• 1.2.2 量子尺寸效应
• 1.2.3 表面效应
• 1.2.4 宏观量子隧道效应
• 1.3 纳米材料的制备方法
• 1.3.1 固相法
• 1.3.2 气相法
• 1.3.3 液相法
• 1.4 纳米ZnO的结构、性能和用途
• 1.4.1 ZnO的结构
• 1.4.2 纳米ZnO的性能和用途
• 1.5 本课题的研究意义和主要研究内容
• 第2章 水热法制备ZnO和稀土复合粒子
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 表征方法
• 2O₃复合粒子的制备'>2.3 ZnO和ZnO/La₂O₃复合粒子的制备
• 2.3.1 ZnO粒子的制备
• 2O₃复合粒子的制备'>2.3.2 ZnO/La₂O₃复合粒子的制备
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 不同pH值对ZnO粒子的影响
• 2O₃复合粒子的影响'>2.4.2 不同pH值对ZnO/La₂O₃复合粒子的影响
• 2O₃复合粒子的影响'>2.4.3 不同掺杂量对ZnO/La₂O₃复合粒子的影响
• 2O₃复合粒子的影响'>2.4.4 不同反应时间对ZnO/La₂O₃复合粒子的影响
• 2.5 光催化性能
• 2.5.1 光催化实验
• 2.5.2 纳米ZnO的光催化性能
• 2O₃复合粒子的光催化性能'>2.5.3 纳米ZnO/La₂O₃复合粒子的光催化性能
• 2.6 本章小结
• 第3章 高分子网络法制备ZnO和稀土复合粒子
• 3.1 高分子网络法的基本原理
• 3.2 试剂与仪器
• 3.3 表征方法
• 3.4 ZnO和稀土复合粒子的制备
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 不同烧结温度对纳米ZnO粒径的影响
• 2O₃复合粒子XRD分析'>3.5.2 不同掺杂量的ZnO/RE₂O₃复合粒子XRD分析
• 3.5.3 掺杂不同稀土的ZnO复合粒子扫描电镜和能谱分析
• 3.5.4 掺杂不同稀土的ZnO复合粒子透射电镜分析
• 2O₃复合粒子红外光谱分析'>3.5.5 ZnO/La₂O₃复合粒子红外光谱分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 微波法制备纳米ZnO
• 4.1 微波的原理和特点
• 4.2 微波水热法制备纳米ZnO
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 表征方法
• 4.2.3 ZnO的制备
• 4.2.4 X-射线衍射分析
• 4.2.5 扫描电镜分析
• 4.3 微波法制备纳米ZnO
• 4.3.1 试剂与仪器
• 4.3.2 ZnO的制备
• 4.3.3 X-射线衍射分析
• 4.3.4 扫描电镜分析
• 4.3.5 两种方法的比较
• 4.4 ZnO微米棒的形成机理初探
• 4.5 本章小结
• 2O₃的复合材料'>第5章 聚苯胺与纳米ZnO/RE₂O₃的复合材料
• 5.1 聚合物与无机纳米复合材料的概述
• 2O₃-PANI复合材料的制备'>5.2 ZnO/RE₂O₃-PANI复合材料的制备
• 5.2.1 试剂与仪器
• 5.2.2 表征方法
• 2O₃-PANI复合材料的制备'>5.2.3 ZnO/RE₂O₃-PANI复合材料的制备
• 2O₃-PANI复合材料的导电性能的影响'>5.3 ZnO/RE₂O₃-PANI复合材料的导电性能的影响
• 5.3.1 氧化剂用量对PANI电导率的影响
• 5.3.2 掺杂酸对PANI电导率的影响
• 2O₃-PANI复合材料的导电性能分析与讨论'>5.4 ZnO/RE₂O₃-PANI复合材料的导电性能分析与讨论
• 2O₃-PANI复合材料X-射线衍射分析'>5.4.1 ZnO/RE₂O₃-PANI复合材料X-射线衍射分析
• 2O₃-PANI复合材料扫描电镜分析'>5.4.2 ZnO/RE₂O₃-PANI复合材料扫描电镜分析
• 2O₃-PANI复合材料导电性能的研究'>5.4.3 ZnO/RE₂O₃-PANI复合材料导电性能的研究
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢