分级结构ZnO/Si纳米线阵列生长机制及其催化性能研究

摘要

利用ZnO半导体材料作为光催化剂降解有机染料的研究一直受到广泛的关注，为了使催化剂能更好地分散于水中，更好的接触水中的染料分子，催化剂通常制备成粉末状，但是粉末状的催化剂溶于水中不便回收，这有可能造成水的二次污染。为了解决这个问题，我们尝试将ZnO以纳米线形式长在Si纳米线阵列表面，构成分级结构ZnO/Si纳米线阵列，可以极大地扩展样品的比表面积，增加其对光的吸收，并且增加与有机染料的接触面积。同时，ZnO/Si异质结构有利于电荷在界面处的分离，减少载流子复合，而Si作为窄禁带半导体材料，可以吸收可见光波段的光子，加强对太阳光的吸收利用。为了研究分级结构ZnO/Si纳米线阵列的生长机制及其催化性能，我们做了以下研究工作:
　　首先，研究了Si纳米线阵列的生长机制。利用化学湿法刻蚀，用AgNO3/HF溶液制备Si纳米线阵列。通过改变溶液中HF的浓度、反应温度和反应时间，测试这些条件对Si纳米线阵列结构的影响，结果发现反应温度为50℃左右能制备出形貌较好的Si纳米线阵列，而提高HF浓度和增加反应时间，能使制备出来的Si纳米线变长。
　　其次，研究了ZnO纳米线的生长机制。用水热法制备，通过对比原子层沉积仪和磁控溅射仪制备ZnO籽晶层时两种样品的形貌、XRD光谱、PL谱、漫反射光谱，发现用原子层沉积仪制备籽晶层的样品，ZnO纳米线能完全包覆Si纳米线阵列表面，ZnO尺寸均匀并具有较小直径，而且结晶度更高、缺陷较少、光吸收能力更强。
　　随后，应用Si纳米线阵列和用两种方法制备籽晶层的样品做了光催化降解亚甲蓝染料(MB)溶液的测试，发现三种样品都能降解MB染料分子，但用原子层沉积仪制备籽晶层的分级结构ZnO/Si纳米线阵列降解性能最高，但光腐蚀会导致降解效率降低。经过分析，我们推导了ZnO和Si降解MB染料分子的机制:光生电子与样品表面的氧气分子(O2)形成超氧阴离子自由基，该基团可以矿化MB染料分子，而光生空穴对于MB染料的降解作用不大，它会使ZnO在水中溶解，也会使Si表面改性，使得样品的降解性能降低。
　　最后，我们尝试了在分级结构ZnO/Si纳米线阵列表面包覆Al2O3和TiO2保护层，希望在起到在降解过程中防止ZnO纳米线溶解的作用。但实验结果发现，应用这些保护层会妨碍降解行为的发生，并且会溶解水中，露出ZnO纳米线。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 分级结构纳米材料的研究进展

1．2．1 分级结构纳米材料的基本类型

1．2．2 分级结构纳米材料的特性

1．2．3 分级结构纳米材料的应用前景

1．3 分级结构ZnO／Si纳米线阵列的研究进展

1．3．1 分级结构ZnO／Si纳米线阵列的基本性质

1．3．2 分级结构ZnO／Si纳米线阵列的制各方法

1．3．3 分级结构ZnO／Si纳米线阵列的应用

1．3．4 分级结构ZnO／Si纳米线阵列研究存在的问题及挑战

1．4 本课题的研究意义及研究内容

第二章 实验样品制备、表征和测试方式

2．1 实验材料及主要仪器设备

2．2 实验流程

2．2．1 硅片清洗

2．2．2 硅纳米线制备

2．2．3 ZnO籽晶层制备

2．2．4 ZnO纳米线制备

2．2．5 实验样品保护层制备

2．2．6 光催化降解实验

2．2．7 亚甲基蓝浓度曲线的绘制

2．3 表征方法

2．3．1 扫描电子显微镜

2．3．2 X-射线衍射

2．3．3 发光光谱

2．3．4 紫外-可见漫反射光谱

2．3．5 可见液相透射光谱

第三章 分级结构ZnO／Si纳米线阵列的生长机制研究

3．1 Si纳米线阵列的生长机制

3．1．1 温度对Si纳米线生长的影响

3．1．2 刻蚀溶液浓度对Si纳米线生长的影响

3．1．3 反应时间对Si纳米线生长的影响

3．2 枝状ZnO纳米线的生长机制

3．2．1 籽晶层对ZnO纳米线生长的影响

3．2．2 反应时间和温度对ZnO纳米线生长的影响

第四章 分级结构ZnO／Si纳米线阵列的光催化性能研究

4．1 ZnO／Si纳米线阵列在紫外灯照射下的光催化

4．1．1 Si纳米线阵列的紫外光催化

4．1．2 ZnO／Si纳米线阵列的紫外光催化

4．1．3 ZnO／Si纳米线阵列包覆Al2O3保护层的紫外光催化

4．1．4 ZnO／Si纳米线阵列包覆TiO2保护层的紫外光催化

4．2 ZnO／Si纳米线阵列在太阳光照射下的光催化

4．2．1 Si纳米线阵列的太阳光催化

4．2．2 ZnO／Si纳米线阵列的太阳光催化

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间所发表的学术论文及专利

致谢