功能性纳米ZnO的调控制备、表征及其光催化性能研究

论文摘要

光催化氧化处理有机废水技术是一项耗能低、易操作、无二次污染,具有广阔应用前景的新技术。然而其实际应用仍然受光催化效率较低所限制,因此,发展高效光催化剂已经成为一项重要的研究课题。ZnO是一种高效、无毒性、价格低廉的重要光催化剂,在降解和完全矿化环境中污染物领域备受关注。众所周知,无机材料的形貌对其多样化的性能及其相应的应用有重要的影响,而ZnO是一种具有丰富多样形貌的宽禁带半导体材料。因此,制备特殊形貌的ZnO纳米材料,可以有效的改善其光学性质,提高其光催化性能。本文采用低温液相合成法制备了具有特殊形貌的纳米ZnO粉末和薄膜材料,并且对材料进行了系统的表征和光催化降解性能的研究。围绕以上内容,主要开展了以下几方面的工作:（1）应用简单低温水热法,无需加入表面活性剂,成功制备不同形貌的纳米ZnO。通过对影响ZnO样品的因素进行考察,发现通过调节溶液中的碱性,可以得到花状和棒状形貌的ZnO。X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和选取电子衍射（SAED）表征分析显示,花状形貌的ZnO是由许多根纳米棒辐射发散自组装形成的,ZnO纳米棒为六方纤锌矿单晶结构,沿[0001]方向生长。并且根据晶体成核和生长方向理论,对ZnO纳米花和ZnO纳米棒的可控生长机理进行了探讨。（2）通过紫外-可见漫反射光谱（DRS）、拉曼光谱（Raman）、光致发光光谱（PL）、X射线光电子能谱（XPS）和表面光电压谱（SPS）对不同形貌的纳米ZnO进行表征,分析了特殊形貌的ZnO具有的电子结构和表面组成。所制备的不同形貌的纳米ZnO在光催化氧化降解染料和有机物污染物中都有很好的性能。ZnO纳米花光催化降解染料和酚类化合物的能力强于ZnO纳米棒,是由于在PL、XPS和SPS表征中发现,ZnO纳米花的表面含有大量的氧空位,而氧空位可以作为光催化剂的活性中心,捕获光生电子,从而抑制光生电子和空穴的复合。（3）应用简单的低温液相合成法在锌片上制备了高度定向排列的ZnO纳米棒阵列薄膜,这里锌片不仅用作基底,同时也作为锌离子源,通过在甲酰胺水溶液中直接生长ZnO纳米棒阵列薄膜。这种自源生长方法简单、低耗,无需在基底上预先生长一层ZnO粒子作为生长阵列的种子层,也无需在溶液中加入锌离子溶液。XRD、高倍透射电镜（HRTEM）和SAED表征分析,表明ZnO纳米棒阵列是六方纤锌矿的单晶结构,沿c轴方向晶面择优取向生长。此外,对ZnO纳米棒阵列薄膜的形成机理进行了探讨。（4）通过DRS分析,估算ZnO纳米棒阵列薄膜的带隙能为3.24eV,相比体相ZnO（3.37eV）有所红移。ZnO纳米棒阵列薄膜的PL谱中出现一个位于383nm处强的紫外发光峰和两个位于450和468nm处弱的可见发光峰。拉曼光谱分析表明,位于437cm-1处的E2H强振动峰对应于六方纤锌矿ZnO特征振动,位于332、379、415和580cm-1处的弱的振动峰分别对应于ZnO的3E2H-E2L、A1（TO）、E1（TO）和E1（LO）振动。此外,将ZnO纳米棒阵列薄膜光催化降解4-氯酚的效果与生长于钛基底上ZnO纳米棒膜进行比较,发现ZnO纳米棒阵列薄膜表现出更好的光催化性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 国内外相关领域研究进展
• 1.1 光催化技术的概述
• 1.1.1 光催化技术的发展
• 1.1.2 半导体光催化的基本原理
• 1.1.3 提高光催化反应效率途径
• 1.1.4 光催化剂的种类
• 1.2 纳米材料
• 1.2.1 纳米材料简介
• 1.2.2 纳米材料的特性
• 1.2.3 光催化材料纳米化
• 1.3 氧化锌
• 1.3.1 ZnO的性质与结构
• 1.3.2 ZnO的制备方法
• 1.3.3 ZnO的形貌调控
• 1.3.4 ZnO纳米材料的应用
• 1.3.5 ZnO光催化降解有机物的研究进展
• 1.4 选题依据、目的、意义和内容
• 1.4.1 选题的依据
• 1.4.2 研究目的和意义
• 1.4.3 研究内容
• 2 水热法调控纳米ZnO形貌
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料、试剂与仪器
• 2.2.2 纳米ZnO的调控制备
• 2.2.3 结构表征与分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 纳米ZnO的SEM分析
• 2.3.2 纳米ZnO的XRD表征
• 2.3.3 纳米ZnO的EDS表征
• 2.3.4 纳米ZnO的TEM表征
• 2.3.5 纳米ZnO的可控生长机理
• 2.4 小结
• 3 纳米ZnO的光学性质和光催化性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料、试剂与仪器
• 3.2.2 纳米ZnO光学性质的分析
• 3.2.3 纳米ZnO光催化性能的研究
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纳米ZnO的DRS分析
• 3.3.2 纳米ZnO的PL分析
• 3.3.3 纳米ZnO的Raman分析
• 3.3.4 纳米ZnO的XPS分析
• 3.3.5 纳米ZnO的SPS分析
• 3.3.6 纳米ZnO光催化性能的评价
• 3.3.7 ZnO纳米花光催化剂稳定性的考察
• 3.4 小结
• 4 液相化学法制备ZnO纳米棒阵列薄膜
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料、试剂与仪器
• 4.2.2 ZnO纳米棒阵列薄膜的制备
• 4.2.3 ZnO纳米棒薄膜的制备
• 4.2.4 ZnO薄膜形貌和结构表征分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 ZnO薄膜的SEM分析
• 4.3.2 ZnO纳米棒阵列薄膜的TEM表征
• 4.3.3 ZnO薄膜的XRD表征
• 4.3.4 ZnO薄膜的EDS表征
• 4.3.5 ZnO纳米棒阵列薄膜的形成机理
• 4.4 小结
• 5 ZnO薄膜光学性质和光催化性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料、试剂与仪器
• 5.2.2 ZnO薄膜光学性质的分析
• 5.2.3 ZnO薄膜光催化实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 ZnO薄膜的DRS分析
• 5.3.2 ZnO薄膜的PL分析
• 5.3.3 ZnO薄膜的Raman分析
• 5.3.4 ZnO薄膜的XPS分析
• 5.3.5 ZnO薄膜光催化降解4-氯酚
• 5.3.6 ZnO纳米棒阵列膜光催化剂稳定性的考察
• 5.4 小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 个人简历