电沉积—热氧化制备具有微/纳米针的条纹形貌ZnO薄膜及其光催化性能

摘要

本文以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为添加剂，在304不锈钢基底上，硫酸锌-氯化铵体系中用0.03 A·cm-2恒电流阴极沉积得到条纹状的金属Zn膜。通过XRD、SEM主要研究了添加剂PVP浓度、沉积时间、Zn2+浓度及电流密度对沉积Zn膜形貌、结构和成分的影响，初步探讨了沉积金属Zn膜条纹形貌的形成机理。在空气氛下，Zn膜于马弗炉中热氧化，研究了不同煅烧温度、氧化时间及煅烧方式对ZnO薄膜的条纹微/纳米针形貌、结构及光催化性能的影响。具体研究工作如下:
　　1.条纹Zn膜的形成及机理探讨
　　a)以304不锈钢片为基底，在0.05 mol·dm-3 ZnSO4、2 mol·dm-3 NH4Cl溶液组成的基本镀液中，加入质量浓度为0.001-1％ PVP，以0.03 A/cm2阴极恒电流密度，600 s沉积金属Zn膜，考察和分析了PVP浓度对Zn膜形貌、结构的影响。结果表明:PVP的加入，能有效地改变了沉积Zn膜的形貌;在0.005％ PVP条件下，600 s沉积的Zn膜为连续、完整的条纹形貌。
　　b)保持PVP浓度为0.005％，在其他条件不变的情况下，改变沉积时间，研究了沉积时间对条纹形貌的影响。结果显示:60 s沉积得到致密的Zn膜，无条纹形貌形成;300s左右开始出现有序的条纹形貌;600 s沉积的Zn膜条纹垂直基底生长且不断加厚;条纹形貌是在致密的Zn膜基础上逐步形成。
　　c)固定PVP浓度0.005％和沉积时间600 s，改变镀液Zn2+浓度及沉积电流密度，发现Zn2+浓度太低和过高均不能形成条纹形貌;电流密度太低得到致密的Zn膜，而太高则以扩散控制占优势的方式沉积，易形成树枝状的三维多孔形貌。
　　2.热氧化条件对ZnO条纹微/纳米针形成的影响
　　a)以0.005％ PVP，恒电流0.03 A·cm-2沉积300 s的条纹Zn膜样品，在空气气氛下，于马弗炉中经150-600℃温度范围内煅烧，研究了不同煅烧温度、热氧化时间及煅烧方式对ZnO微/纳米针形成的影响。通过一步热氧化法，研究表明:Zn膜仅在250℃下热氧化1h，开始有微/纳米针的生长;随着氧化温度的升高，ZnO微/纳米针生长的密集度先增加后减少，高温不利于纳米针的生长;在低于Zn熔点温度煅烧，氧化时间的延长能促进微/纳米针的生长，高于Zn熔点热氧化，延长氧化时间ZnO微/纳米针逐渐减少;同时发现两步热氧化法比一步热氧化法更有利于氧化膜与基底的结合力和ZnO微/纳米针的生长。
　　b)分析了Zn膜在热氧化过程对304不锈钢基底的影响。不同的煅烧温度，该薄膜材料呈现不同的结构特征:500℃及以上温度煅烧可获得Zn或ZnO与不锈钢基底Fe、Cr、Ni等元素及氧化物生成ZnFe2O4、 ZnCr2O4等尖晶石类混合氧化物（用AB2O4表示）掺杂的ZnO/AB2O4薄膜。
　　3.微/纳米针ZnO薄膜的光催化性能
　　a)在荧光高压汞灯照射下，测试了不同ZnO/不锈钢薄膜材料的光催化降解有机染料罗丹明B(RhB，3 mg·L-1)的性能。结果显示，在60 ml·L-1空气流量和光照强度20 mW·cm-2的条件下，具有微/纳米针形貌的条纹ZnO薄膜及ZnO/AB2O4薄膜材料显示出较高的光催化降解RhB的活性及循环稳定性能。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属Zn的性质及结构

1．3 金属电沉积的相关理论

1．4 金属Zn电沉积的电极反应

1．5 添加剂对电沉积Zn过程的影响

1．5．1 添加剂分类与选择

1．5．2 添加剂的对Zn沉积的作用机理

1．6 ZnO薄膜的研究概况

1．6．1 ZnO的结构

1．6．2 常用的制备ZnO薄膜的方法

1．7 一维ZnO纳米结构的形成机理

1．8 ZnO薄膜光催化剂的研究概况

1．8．1 ZnO薄膜光催化机理

1．8．2 影响ZnO薄膜光催化的因素

1．9 本文的创新点及主要工作

第二章 实验部分

2．1 试剂

2．2 电沉积实验

2．2．1 实验仪器及材料

2．2．2 基底预处理

2．2．3 沉积金属Zn薄膜

2．3 ZnO薄膜的制备

2．4 薄膜结构与形貌的分析

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．2 X-射线衍射(XRD)

2．4．3 紫外-可见分光光度计

2．5 光催化实验

第三章 条纹形貌Zn膜的制备

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 添加剂PVP对影响

3．2．2 电沉积参数对条纹Zn膜的影响

3．2．3 条纹Zn薄膜的机理

3．3 本章小结

第四章 煅烧温度对条纹微/纳米针ZnO薄膜的影响

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 沉积时间对ZnO微/纳米针的影响

4．2．2 一步热氧化温度对ZnO薄膜的影响

4．2．3 两步热氧化对ZnO薄膜的影响

4．3 ZnO微/纳米针的形成机理

4．4 结论

第五章 微/纳米针条纹ZnO薄膜的光催化性能

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 沉积时间

5．2．2 煅烧温度的影响

5．2．3 氧化时间的影响

5．2．4 两步热氧化的影响

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的研究成果

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