ZnO纳米片的可控制备、形成机理及光催化性能

摘要

近年来，利用高效、节能、简便的方法光催化环境污染物转化、降解和矿化方面的研究备受人们关注，同时对光催化材料也提出了较高要求，因此，发展高效光催化剂成为了一项重要的研究课题。目前研究较多的光催化材料是半导体纳米材料，它很好地结合了纳米材料与半导体本身的特性，在光催化领域显示出广阔的应用前景，ZnO作为重要的纳米半导体材料之一，具有高效、无毒性、价格低廉等优点，在环境治理与保护方面是很有潜力的。众所周知，无机材料的形貌对其性能和应用有重要的影响，因此，制备具有特殊形貌的ZnO纳米材料，不仅可以改善其光学性质，而且可以提高其光催化性能。目前，人们已经合成了很多不同形貌的纳米ZnO，例如，梳形、环状、线状及弹簧状等都已被合成。而且也有不少ZnO纳米构筑单元自组装及其光催化性能的报道，但寻求经济简单易行、环境友好的途径可控合成2DZnO纳米片并由2D纳米片自组装成功能化、结构化的3D分级结构仍然极具挑战性。
　　本文采用水热合成法，在没有模板剂参与的条件下调节反应参数顺利合成了花形ZnO纳米片微球，并对其进行了系统的表征和光催化降解性能的研究。此外，还对水热法合成ZnO纳米片的形成机理进行了研究，围绕以上内容，主要做了以下几方面的工作:
　　1.参考前人合成纳米ZnO文献的基础上，采用水热合成法，在没有模板剂参与的条件下调节反应参数顺利合成了厚度为10～20nm的3D花形ZnO纳米片，并运用XRD、FT-IR、TG、SEM、TEM、XPS、BET对其进行了表征，分别以商用ZnO纳米颗粒和厚度为10～20nm的3D花形ZnO纳米片作为光催化剂，通过降解罗丹明B(RhB)研究了ZnO纳米片的光催化活性。实验结果表明，与商用ZnO纳米颗粒相比，水热法制备的ZnO纳米片显示了更好的光催化活性，这主要是由于ZnO纳米片有较高的比表面积和3D花形形貌所致。
　　2.研究了以ZnCl2和CO(NH2)2为原料水热合成Zn5(CO3)2(OH)6纳米片前驱体的机理形成过程，以及前驱体转化为ZnO纳米片时的热化学过程。通过观察Zn5(CO3)2(OH)6纳米片前驱体的形貌和结构以及前驱体受到电子束照射时的形貌变化，我们提出了一种颗粒-棒-片的逐步自组装机理，在这种机理中，在1D方向上纳米颗粒自组装成纳米棒，而纳米棒有经过一步步的自组装形成2D纳米片。在Zn5(CO3)2(OH)6纳米片转化成ZnO纳米片的热化学过程中，纳米片的形貌和尺寸没有发生变化，这种机理的提出，特别是1D到2D自组装过程的形成机理，为研究其它片状结构的形成机理提供了帮助。
　　3.对影响ZnO纳米片厚度的因素进行考察，发现通过调节反应温度、反应时间以及反应物的摩尔比可以得到由厚度不同的ZnO纳米片组装成的3D花形形貌。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 纳米材料简介

1．1．1 纳米材料概述

1．1．2 纳米材料的特殊性质

1．2 半导体纳米材料概述

1．3 光催化技术简介

1．3．1 光催化技术的发展

1．3．2 光催化的基本原理

1．3．3 光催化的应用

1．3．4 提高光催化效率的途径

1．3．5 半导体纳米光催化剂的研究现状及其发展趋势

1．4 氧化锌纳米材料

1．4．1 半导体ZnO的性质与结构

1．4．2 ZnO半导体的制备方法研究进展

1．4．3 半导体ZnO的形貌调控

1．4．4 ZnO半导体的作为光催化剂时的优缺点

1．4．5 ZnO半导体纳米材料的研究进展

1．5 本课题研究的目的、意义和内容

第二章 花型ZnO纳米片微球的制备、表征及其光催化性能

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器与药品

2．2．2 结构表征与分析方法

2．2．3 实验过程

2．3 厚度为10-20 nm的ZnO纳米片微球的表征

2．3．1 TG-DTA表征

2．3．2 XRD表征

2．3．3 XPS表征

2．3．4 FT-IR表征

2．3．5 SEM表征

2．3．6 TEM表征

2．4 ZnO纳米微球的光催化性能研究

2．5 结论

第三章 水热法制备ZnO纳米片的形成机理

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 ZnO纳米片的制备

3．2．2 ZnO纳米片的表征

3．3 结果和讨论

3．4 结论

第四章 水热法制备ZnO纳米片尺度的初步调控

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料、试剂与仪器

4．2．2 实验过程

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同反应温度时的结构与形貌

4．3．2 不同反应时间下的结构与形貌

4．3．3 不同反应物摩尔比下的结构与形貌

4．4 结论

第五章 总结和展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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