氧化锌基一维纳米复合材料制备及其性能研究

论文摘要

纳米材料制备及应用是当今世界各国重点发展的研究领域之一。一维纳米材料由于其新颖的物理、化学和生物特性以及在纳米器件中的潜在用途成为当今纳米技术的研究热点。本文对一维氧化锌基复合纳米材料的制备及其气体敏感性能和光催化活性进行了系统研究。对传统水热/溶剂热法进行了改进,设计了一种简单的前驱物超声辅助—水热/溶剂热法,在120℃低温合成了结构均匀、分散性好、产率高的氧化锌纳米棒,发现前驱物溶液先经过超声处理,产生部分氧化锌晶核作为晶种再进行水热/溶剂热反应,能提高纳米棒的产率和均匀性。系统研究了辅助剂、反应温度和时间等影响因素对氧化锌纳米结构和形貌的影响,结果表明阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和有机高分子表面活性剂PEG400是合成一维氧化锌的最佳辅助剂。创新性地将固体原料乙酸锌和氢氧化钠直接置于含PEG400辅剂的乙醇溶剂中,在120℃的低温中一步合成了直径约20nm的氧化锌纳米线和纳米棒,研究发现氢氧化钠的比例是控制纳米氧化锌长度的关键,从而实现了氧化锌一维纳米材料的可控合成。提出氧化锌纳米棒、纳米线的生长机理为溶解—醇解—成核—生长机制。采用静态配气法测试了不同结构纳米氧化锌的气敏性能。与零维纳米粒子相比,一维氧化锌纳米材料具有较高的气体灵敏度和较好的气敏稳定性;通过气敏元件表面分析和比表面测试分析,推断出氧化锌一维纳米结构灵敏度高于零维结构的主要原因是,气敏材料经高温烧结制成气敏元件后,一维氧化锌能够保持自身形貌并形成大量空穴,具有较高的有效表面积。独创了氧化物气敏材料的贵金属量子点修饰法,有效地提高了氧化物气敏材料的灵敏度和选择性。采用液相法合成了贵金属量子点（Pd,Pt）,研究发现贵金属量子点修饰法较之传统的浸渍煅烧掺杂法更为有效、方便。采用钯量子点修饰氧化锌纳米线后可以得到超高灵敏度和高选择性的硫化氢气体传感器,可以检测ppb级的硫化氢气体。铂量子点修饰氧化锌纳米线后的气敏性能也有明显改善,对酒精、甲醛气体的检测下限也有所降低。采用了一种简单的光化学沉积法制得了Ag负载ZnO纳米棒的新型气敏材料,气敏性能研究结果表明,这种新型的气敏材料具有优良的气敏性能,可以检测ppm级的酒精。根据氧化锌和氧化钨均能形成一维纳米材料且都具有良好地光催化性能,这两种氧化物的复合产物钨酸锌也应能形成一维纳米材料并具备良好的光催化性能这样的思路,采用了一种简单的、不加任何辅助剂的沉淀—水热法合成了直径约20nm,长度约200nm且结构均匀、分散性好、产率高的钨酸锌纳米棒。系统研究了反应温度、时间对一维纳米结构形成和结晶度的影响,提出了钨酸锌纳米棒的生长机理为成核—成棒—晶化过程。并研究了不同条件下制备的钨酸锌纳米棒的光致发光性能以及对有机染料罗丹明B的光催化降解效率。发现水热温度为200℃,反应时间为16小时得到的产品直径小、形貌均一、结晶度高、荧光发射强度高且对罗丹明B的光催化降解效率高,几乎可以和高效光催化剂TiO2（Degussa P-25）媲美。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景与选题意义
• 1.3 一维纳米材料制备的研究进展
• 1.3.1 激光烧蚀法
• 1.3.2 热蒸发法
• 1.3.3 化学气相沉积法和有机金属化学气相沉积法
• 1.3.4 模板法
• 1.3.5 微乳液法
• 1.3.6 水热和溶剂热法
• 1.3.7 超声化学法
• 1.3.8 回流法
• 1.3.9 熔盐法
• 1.4 一维纳米材料的性能研究进展
• 1.4.1 光学性质
• 1.4.2 磁性质
• 1.4.3 电性质
• 1.4.4 场发射效应
• 1.4.5 光催化作用
• 1.5 一维纳米材料在气体传感器领域中的研究进展
• 1.5.1 半导体气敏传感器的种类
• 1.5.2 半导体气敏传感器的检测机理
• 1.5.3 半导体气体传感器的特性参数
• 1.5.4 纳米管传感器
• 1.5.5 纳米棒传感器
• 1.5.6 纳米带传感器
• 1.5.7 纳米线传感器
• 1.5.8 半导体气体传感器存在的问题及发展方向
• 1.6 一维氧化锌基纳米材料的研究进展
• 1.6.1 一维纳米氧化锌材料的制备
• 1.6.2 一维纳米氧化锌气敏材料的性能研究进展
• 1.6.3 存在的问题及发展方向
• 1.7 论文的主要研究内容
• 第2章 超声辅助—水热法合成氧化锌纳米棒研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验主要试剂及仪器
• 2.2.2 合成材料的表征
• 2.2.3 样品的合成方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 前驱体溶液的超声作用
• 2.3.2 表面活性剂对氧化锌纳米棒生长的影响
• 2.3.3 配位剂对氧化锌纳米棒生长的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 多维复合纳米氧化锌气敏性能的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂及仪器
• 3.2.2 气敏材料的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 气敏材料表征
• 3.3.2 一维与零维纳米氧化锌的气敏性能研究
• 3.3.3 多维复合纳米氧化锌的气敏性能初步研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 氧化锌纳米线（棒）的溶剂热制备及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验主要试剂及仪器
• 4.2.2 氧化锌纳米线和纳米棒的制备
• 4.2.3 合成材料的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 产物的结构表征
• 4.3.2 产物的形貌表征
• 4.3.3 制备氧化锌纳米线的影响因素
• 4.3.4 氧化锌纳米线的生长机理分析
• 4.4 氧化锌纳米线的光谱性能研究
• 4.5 氧化锌纳米线的气敏性能研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 贵金属量子点修饰对一维纳米氧化锌气敏性能的影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要试剂及仪器
• 5.2.2 气敏材料的制备
• 5.2.3 合成材料的表征
• 5.2.4 气敏性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 产物的结构与相貌分析
• 5.3.2 材料的气敏性能测试
• 5.4 小结
• 第6章 钨酸锌纳米棒的合成与性能研究
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 试剂和仪器
• 6.1.2 钨酸锌纳米棒的制备
• 6.1.3 合成材料的表征
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 合成样品的结构分析
• 6.2.2 合成样品的形貌分析
• 6.2.3 合成条件对样品形貌的影响及反应机理
• 6.2.4 钨酸锌纳米棒的光学特性
• 6.3 钨酸锌纳米棒对染料罗丹明B的光催化降解性能研究
• 6.3.1 罗丹明B的性质及降解机制
• 6.3.2 光催化剂的比表面积测定
• 6.3.3 光催化剂对罗丹明B溶液的光催化降解研究
• 6.4 小结
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表文章情况