溶胶凝胶自燃烧法合成ZnS纳米颗粒及光催化性能研究

摘要

溶胶-凝胶自燃烧法是一种结合了传统溶胶-凝胶法和自燃烧法的新型粉体材料合成方法，具有精确的化学计量控制、设备工艺简单和节约能源、反应时间短、优秀材料均匀性、材料颗粒尺度小、比表面积大等优点，被广泛应用于氧化物纳米粉体材料的合成。
　　ZnS是目前研究最广泛的一种光催化材料，它能在光激发下迅速产生电子-空穴对，并在紫外光照射下具有很高的催化分解水中有机污染物的活性。用常规合成方法如溶剂热法、水热法和化学气相沉积法合成ZnS纳米材料具有合成过程复杂，产率低、成本高等缺点，不适于大规模合成，进而限制了ZnS纳米颗粒作为光催化材料的应用。
　　因此研究利用溶胶-凝胶自燃烧法合成ZnS纳米材料及其光催化性能具有重要的学术和应用价值。已有研究发现如果在前驱物中使用含硫的有机物如硫脲为络合剂，在干凝胶点燃时会形成硫化的燃烧气氛，最终得到相应的金属硫化物，在初期研究中我们借鉴这一思路，使用硫脲为络合剂，利用溶胶-凝胶自燃烧法成功合成了ZnS纳米颗粒，但是得到的纳米颗粒尺寸和形貌的均一性很差，使这一合成方法缺乏实用性。在本论文中我们通过在前驱物中加入硫脲以外的络合剂氨基乙酸以及作为分散剂的乙二醇，成功合成了尺寸和形貌均一的ZnS纳米颗粒。并且通过对大量实验数据的统计分析研究了前驱物中氧化剂/燃料比例，乙二醇/络合剂比例以及Zn/S比例对ZnS纳米颗粒形貌的影响。
　　研究发现：1.在不同氧化剂/燃料比例下通过调节分散剂/络合剂比例均能获得形貌均一的ZnS纳米颗粒，并且形貌最佳样品对应的乙二醇/络合剂比例随氧化剂/燃料比例的下降而逐步下降。2.不同氧化剂/燃料比例下形貌最佳的纳米颗粒的大小会有所不同，特定比例下存在最小值。3.在氧化剂/燃料比例保持不变的情况下，改变Zn/S比例对最佳的分散剂/络合剂比例以及相应的纳米颗粒大小影响较小。
　　基于实验结果我们分析认为氨基乙酸与乙二醇在颗粒形貌优化中的作用主要有两点：1.作为络合剂氨基乙酸和硫脲相比更容易形成复杂的交联网络，并且通过与乙二醇的缩合反应能进一步加强交联网络的复杂性，干凝胶中更为复杂的交联网络有利于燃烧热量的均匀分散，为ZnS纳米颗粒的形成与生长提供更为均匀和适合的热环境。2.乙二醇在干凝胶起中还能起到分散剂作用，其简单的分子结构与较小的分子量使其容易均匀分散在各个络合物之间，并且乙二醇与络合物分子团之间结合较弱，在高温燃烧中容易迅速断开加速胶体解体，有利于硫化反应的均匀发生。此外在ZnS纳米颗粒合成的基础上我们还研究了形貌控制因素对ZnS纳米颗粒紫外光下催化分解有机物性能的影响。研究发现样品的催化性能与形貌的均一性没有直接关系,氧化剂/燃料的比例、乙二醇/络合剂的比例都不能成为独立控制光催化性能的因素，而硝酸锌/硫脲的比例对合成的ZnS纳米颗粒的催化性能有显著的影响，ZnS纳米颗粒的催化性能不仅由形貌决定，还受到其他实验因素的影响。本论文的研究不仅提供了一种新型高效的ZnS纳米颗粒合成工艺也为溶胶凝胶自燃烧法在硫化物纳米材料合成中的进一步应用提供了理论和实验基础。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 溶胶凝胶自燃烧法的基本介绍

1.1.1 自燃烧法

1.1.2 溶胶凝胶法

1.2 溶胶凝胶自燃烧法的原理和控制因素

1.2.1 溶胶凝胶自燃烧法的原理

1.2.2 溶胶凝胶自燃烧法的控制因素

1.3 溶胶凝胶自燃烧烧法合成ZnS纳米颗粒

1.3.1 ZnS半导体纳米颗粒方面的应用价值

1.3.2 溶胶凝胶自燃烧法可以控制气氛合成金属

1.3.3 溶胶凝胶自燃烧法可以控制气氛合成硫化物

1.4 溶胶凝胶自燃烧法合成硫化物的问题

1.5 本文的选题意义和主要内容

第2章 实验

2.1 实验的主要试剂及仪器

2.1.1 实验主要试剂

2.1.2 主要实验设备

2.2 实验流程

2.3 样品测试

2.3.1扫描电子显微镜测试（SEM）

2.3.2 X射线衍射测试（XRD）

2.3.3 紫外分光光度计

2.4 样品光催化性能测试

第3章 溶胶凝胶自燃烧法合成ZnS的结果和讨论

3.1 通过加入柠檬酸改良形貌

3.2 通过加入氨基乙酸和乙二醇改变形貌

3.3 控制纳米颗粒形貌均一性的因素

3.3.1 氧化剂/燃料的影响

3.3.2 乙二醇/络合剂的影响

3.3.3 硝酸锌/硫脲的影响

3.4 实验结果讨论

第4章 ZnS纳米颗粒的光催化性能研究

第5章 结论和展望

参考文献

硕士期间发表论文

致谢