ZnO纳米线阵列的制备及其光电化学性能研究

摘要

ZnO具有优异的光电、力学和热学性质，可广泛应用于太阳能电池、光催化降解有机物、透明晶体管和紫外发光以及探测器件上。而利用半导体光催化技术，在光照的条件下降解水中的有机污染物，已成为人类解决环境污染的有效途径。纳米ZnO成本低廉，形貌表现多样，吸附性能良好，具有较大的激子束缚能和较高的电子迁移率，制备过程中极易形成纳米线，是一种适合的、能够有效降解有机污染物的半导体光催化剂。但其本身在实际应用中还存在一些问题。对纳米ZnO进行改性，提高其量子效率，抑制载流子在的复合，扩展其光响应范围，增强其在可见甚至红外波段的吸收利用，这是提高纳米ZnO光电化学性能的主要途径，也是该领域的主要研究热点。本文通过电化学沉积的方法，沉积制备了ZnO纳米线结构。以SEM和XRD等表征手段，研究了电解液中杂质离子对纳米ZnO形貌的影响及其作用机理；尝试通过硫化和包覆的方法，对ZnO纳米线进行改性，并通过降解甲基橙试剂为表征，研究了ZnO的光电催化性能。
　　首先用电化学沉积的方法，制备ZnO纳米线阵列。在电解液中加入不同浓度的Pb2+离子，表征结果证明，在纳米ZnO的制备过程中，电解液中痕量（10-6）的Pb2+不仅可以有效改善其取向，同时可以大量增加 ZnO纳米线的密度，同时只会产生很少的缺陷；当Pb2+含量继续增多时，会在纳米ZnO中引入较多的杂质离子和缺陷，对其性能产生较大的影响；在电解液中加入15％浓度的Li+，由此制备的纳米ZnO出现大面积倒伏，且棒体粗细不均且表面遍布缺陷及绒状附着物；在电解液中分别加入不同浓度的Mg2+，由此制备出的ZnO纳米线形成花瓣状团簇，且花瓣中心呈二维的周期性排布。这种趋势随着Mg2+浓度的增加越来越明显。
　　为了研究硫化对ZnO纳米线光催化性能的影响，将制备好的纯纳米 ZnO在60℃的Na2S水溶液中，恒温反应0.5/1/2/3/5/10 h，对硫化后ZnO纳米线的SEM和XRD图谱显示，硫化过程在 ZnO纳米线上溶解产生了细纹和龟裂，随着硫化时间的增加，ZnO纳米线甚至发生断裂，暴露出新的晶面。分别以不同硫化时间的ZnO纳米线为催化剂，在氙灯的照射下（用以模拟自然光照条件），催化降解甲基橙溶液。结果证明，硫化后纳米ZnO的催化降解速率有所提升；在一定时间范围内，硫化时间越长，光催化性能越好。
　　以制备出的ZnO纳米线为阴极，在其表面沉积Mg(OH)2；通过逐次化学浴法，在纯ZnO纳米线表面包覆PbS。通过XRD和SEM谱图，对制得的样品分别进行表征和分析。降解实验证明，沉积Mg(OH)2后，纳米ZnO的光催化性能有微弱提高；包覆PbS可以明显提高纳米ZnO的光催化性能，包覆次数越多，对其光催化性能的提高越明显。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 ZnO的晶体结构与基本物性

1.3 ZnO薄膜的应用

1.4 纳米ZnO光催化降解的研究现状

1.5目前纳米ZnO研究中存在的不足以及需要进一步研究的问题

1.6 本文的主要研究目的和内容

第二章 纳米ZnO的制备、改性和表征

2.1 ZnO纳米线阵列的制备方法

2.2 电化学沉积制备纳米ZnO阵列

2.3 纳米ZnO的改性

2.4 实验相关器材、原料以及实验步骤

2.5 纳米ZnO的表征

第三章 电解液中离子对纳米ZnO形貌的影响

3.1 纳米ZnO的制备

3.2制备过程中杂质离子对纳米ZnO阵列的形貌影响

3.3 本章小结

第四章 纳米ZnO的硫化改性及光催化性能研究

4.1 纳米ZnO光催化性能的改性

4.2 ZnS的性质

4.3 纳米ZnO的硫化

4.4掺杂S2-后ZnO纳米线的光催化性能研究

4.5本章小结

第五章 纳米ZnO的包覆改性及其光催化性能研究

5.1 纳米ZnO与Mg(OH)2的复合

5.2 PbS与纳米ZnO的复合改性

5.3 本章小结

结论

参考文献

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