铜、锌氧化物的形貌控制合成及性能研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种宽带隙（室温下3.3eV）的n型半导体,激子结合能为60meV,具有六方纤锌矿结构,空间群为P63mc。氧化铜（CuO）具有窄带隙（室温下1.2eV）的p型半导体,单斜晶系,空间群为C2/c。两者都具有良好的导电、光电和气敏等特性,被广泛应用在气敏传感器、紫外光探测仪、催化剂和电池领域的电极材料等方面。近年来,氧化锌和氧化铜晶体形貌的研究和开发引起了国内外科学界的极大关注和兴趣,但有关Zn-Cu复合氧化物微结构的制备很少见报道。本文制备了不同形貌的氧化锌、氧化铜以及Zn-Cu复合氧化物,探讨了晶体生长的影响因素和微结构的形成机理,并测试了单一氧化物和复合氧化物的光催化性能和电容性能。1.采用化学沉淀法和水热法合成了不同形貌的ZnO和CuO。通过改变合成条件,达到对形貌的控制合成。合成的ZnO的形貌有单根棒、多脚棒束、六棱形纳米棒、纳米管、纳米片和针状。CuO的形貌有菜花状、球形、纳米带、羽毛状和片状。形貌的变化对氧化锌的光催化性能和氧化铜的电容性能影响较大。六次甲基四胺为沉淀剂合成的单根棒状ZnO的光催化能力最佳,次甲基蓝溶液经3h光催化作用后完全降解。六次甲基四胺为沉淀剂合成的花状CuO的比电容最高,其值为133.56F/g。2.采用化学沉淀法、浸渍法和固相研磨法制备了棒状ZnO载CuO颗粒的复合氧化物。以氨水合成的单根棒状ZnO为载体,通过化学沉淀法使Cu2+负载到棒状ZnO晶格中,同时保持ZnO的形态不变。采用浸渍法和固相研磨法可使CuO晶粒直接负载到ZnO纳米棒的表面。结果表明,CuO的添加降低了棒状ZnO的光催化性能,但改善了棒状ZnO的电容性能。化学沉淀法、固相研磨法和浸渍法制备的Zn-Cu复合氧化物的比电容分别为19.11F/g、13.66F/g和25.29F/g,与未负载的棒状ZnO的比电容（5.53F/g）相比,分别提高了147%、245.6%和357.3%。3.采用化学沉淀法、浸渍法和固相研磨法制备了带状CuO载ZnO型复合氧化物。通过化学沉淀法可使Zn2+掺杂到带状CuO晶格中,且复合氧化物的形态为长而薄的片状结构。与担载前的CuO的形貌相似。浸渍法和固相研磨法分别使掺杂的氧化锌形成颗粒状和片状结构,并存在CuO的带状结构之间。化学沉淀法制备的Zn-Cu复合氧化物的比电容高达133.9F/g,比担载前的带状CuO的比电容（72.7F/g）提高了84.18%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无机氧化物制备方法
• 1.1.1 单一氧化物制备方法
• 1.1.2 复合氧化物制备方法
• 1.2 氧化锌简介
• 1.2.1 氧化锌性质
• 1.2.2 氧化锌的应用
• 1.3 氧化铜简介
• 1.3.1 氧化铜性质
• 1.3.2 氧化铜的应用
• 1.4 课题的意义和研究内容
• 第2章 实验方法与样品表征手段
• 2.1 实验试剂
• 2.2 ZnO和CuO的制备
• 2.2.1 化学沉淀法
• 2.2.2 水热法
• 2.3 Zn-Cu复合物的制备
• 2.3.1 化学沉淀法
• 2.3.2 浸渍法
• 2.3.3 固相法
• 2.4 样品的表征
• 2.4.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.4 红外光谱分析（IR）
• 2.4.5 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.4.6 光致发光光谱（PL）
• 2.4.7 光催化
• 2.5 电化学性能测试
• 2.5.1 电极的制备
• 2.5.2 实验装置
• 2.5.3 循环伏安曲线测量
• 2.5.4 恒流充放电
• 2.6 本章小结
• 第3章 ZnO的制备及性能表征
• 3.1 化学沉淀法合成ZnO
• 3.1.1 实验部分
• 3.1.2 反应温度对ZnO形貌的影响
• 3.1.3 PEG的浓度对ZnO形貌的影响
• 3.1.4 溶液的pH值对ZnO形貌的影响
• 3.1.5 回流时间对ZnO形貌的影响
• 3.1.6 沉淀剂的种类对ZnO形貌的影响
• 3.1.7 其它条件对ZnO形貌的影响
• 3.2 水热法合成ZnO
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 ZnO的形貌与表征
• 3.3 ZnO的性能表证
• 3.3.1 光吸收性能
• 3.3.2 光催化性能
• 3.3.3 电化学性能
• 3.4 本章小结
• 第4章 CuO的制备及性能表征
• 4.1 化学沉淀法合成CuO
• 4.1.1 实验部分
• 4.1.2 氨水蒸发速度对CuO形貌的影响
• 4.1.3 沉淀剂种类对CuO形貌的影响
• 4.1.4 表面活性剂对CuO形貌的影响
• 4.2 水热法合成CuO
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 CuO的形貌与表征
• 4.3 CuO性能表证
• 4.3.1 光吸收性能
• 4.3.2 光催化性能
• 4.3.3 电化学性能
• 4.4 本章小结
• 第5章 Zn-Cu复合氧化物的制备及性能表征
• 5.1 Zn-Cu复合氧化物的制备
• 5.1.1 化学沉淀法
• 5.1.2 浸渍法
• 5.1.3 固相研磨法
• 5.2 化学沉淀法合成Zn-Cu复合氧化物
• 5.2.1 CuO载ZnO型复合氧化物
• 5.2.2 ZnO载CuO型复合氧化物
• 5.3 浸渍法合成Zn-Cu复合氧化物
• 5.3.1 ZnO载CuO型复合氧化物
• 5.3.2 CuO载ZnO型复合氧化物
• 5.4 固相研磨法合成Zn-Cu复合氧化物
• 5.4.1 ZnO载CuO型复合氧化物
• 5.4.2 CuO载ZnO型复合氧化物
• 5.5 复合氧化物的性能表证
• 5.5.1 光吸收性能
• 5.5.2 光催化性能
• 5.5.3 电化学性能
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢