多孔氧化锌纳米结构的形态控制及机理研究

论文摘要

氧化锌是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族直接宽带隙半导体材料（其禁带宽度为3.37 eV），在室温下具有较大的激子束缚能（60 meV），能在室温及更高温度产生近紫外的短波激子发光。氧化锌是一种同时具有半导体和压电双重性质的功能材料，具有良好的导电、导热和化学稳定性。丰富的结构和性质使得氧化锌在光学、光电、传导、传感、以及生物等不同领域有许多潜在的应用，如光子晶体、光发射二极管、光探测器、光敏二极管、气体传感器、太阳能电池、光电器件、传感器和光催化等。到目前，ZnO纳米棒、纳米管、纳米环以及海胆状、骨状、羽毛状形貌和结构已经通过溶胶—凝胶法、化学气相沉积法、电化学沉积法等多种方法制备成功。当前，寻求氧化锌的新结构、新性质和新的应用领域已成为材料研究重点之一。本文首先介绍了ZnO的六方晶系纤维矿结构，进而讨论了ZnO电学、光学等方面的性质。然后研究了ZnO在催化，传感器和陶瓷方面的应用以及溶胶一凝胶法，化学气相沉积法等制备ZnO的方法。第二章介绍了用商业纳米氧化锌烧结得到的氧化锌陶瓷和三氯甲烷作为原料，采用高压釜腐蚀和高温（500℃）裂解相结合的方法得到了表面纳米化的ZnO陶瓷。通过形貌和结构的表征研究了其形成过程：首先由CHCl3分解产生的HCl腐蚀普通的ZnO陶瓷表面，在陶瓷表面形成片状的Zn5（OH）8Cl2·H2O晶体。然后经过高温退火使Zn5（OH）8Cl2·H2O晶体分解后形成多孔的氧化锌纳米结构，从而得到表面纳米化的ZnO陶瓷。第三章研究用ZnCl2和乙二胺作为原料，通过液相法合成六边形片状前驱体Zn5（OH）8Cl2·H2O，然后通过高温（500℃）裂解的方法分解Zn5（OH）8Cl2·H2O制备得到多孔ZnO微米片。通过形貌和结构的表征研究发现，前驱体和最终产物（多孔ZnO）具有相同的六边形片状的基本结构，电子衍射图像表明多孔ZnO微米片是单晶。在研究过程中，还分析了乙二胺对前驱体形貌的影响。从而初步解释了多孔ZnO微米片的形成过程。最后，我们研究了实验温度、溶液浓度和反应物比例等实验条件对多孔ZnO微米片形貌、比表面积和孔径分布的影响。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO晶体结构
• 1.3 ZnO的性质
• 1.3.1 光学性质
• 1.3.2 电学性质
• 1.3.3 纳米特性
• 1.4 纳米ZnO的应用
• 1.4.1 在电磁领域的应用
• 1.4.2 在光学领域的应用
• 1.4.3 在化学领域的应用
• 1.4.4 在敏感材料中的应用
• 1.4.5 在催化方面的应用
• 1.4.6 在化妆品中的应用
• 1.4.7 在橡胶工业中的应用
• 1.4.8 在纺织工业中的应用
• 1.4.9 在涂料中的应用
• 1.4.10 在陶瓷行业中的应用
• 1.4.11 在气体传感器中的应用
• 1.4.12 在隐身技术中的应用
• 1.5 ZnO的制备
• 1.5.1 固相合成法
• 1.5.2 直接沉淀法
• 1.5.3 均匀沉淀法
• 1.5.4 溶胶凝胶法
• 1.5.5 水热法
• 1.5.6 微乳法
• 1.5.7 离子液体分解法
• 1.5.8 电化学沉积法
• 1.5.9 水解加热法
• 1.5.10 超声辐射沉淀法
• 1.5.11 超临界流体干燥法
• 1.5.12 高分子网络凝胶法
• 1.5.13 化学气相氧化法
• 1.5.14 高温固体气相法
• 1.5.15 分子束外延法（MBE）
• 1.5.16 金属有机气相外延生长（MOVPE）法
• 1.5.17 热分解法
• 1.5.18 激光诱导气相沉淀法
• 1.5.19 喷雾热解法
• 1.5.20 气-固-液法（VLS法）
• 1.6 本课题研究的目的及主要内容
• 第二章 表面纳米化ZnO陶瓷的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 物相、成分分析
• 2.3.2 微观形貌分析
• 2.3.3 生长机理探讨
• 2.4 小结
• 第三章 多孔ZnO微米片的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 物相分析
• 3.3.2 热重分析
• 3.3.3 微观结构分析
• 3.3.4 比表面积和气体吸附等温线测试
• 3.3.5 生长机理探讨
• 3.4 实验条件对多孔ZnO微米片制备的影响
• 3.4.1 实验温度的影响
• 3.4.2 溶液浓度的影响
• 2NH₂）₂和ZnCl₂摩尔比的影响'>3.4.3 （CH₂NH₂）₂和ZnCl₂摩尔比的影响
• 3.5 小结
• 结束语与展望
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间发表的论文
• 致谢