过渡金属掺杂Zno/ZnAl2O4复合薄膜的光致发光及光催化性能研究

摘要

氧化锌作为一种多功能直接宽禁带半导体材料,一直是该领域的热点研究课题之一,特别是近年掺杂氧化锌由于其独特的光学、电学性能及在光电器件中的潜在应用而备受关注。针对目前氧化锌在发光和光催化性能研究中存在的一些问题,如在发光方面多为紫外发射和较弱的蓝光发射,发射谱带单一；在光催化方面光利用率低,多为紫外光催化,因此本文采用层状前体涂敷焙烧法制备得到过渡金属Ni、Co掺杂的ZnO／ZnAl2O4复合薄膜,以改进氧化锌材料在发光及光催化上的不足。采用XRD、SEM-EDS、HTEM、Raman、TPR、XPS、UV-vis和PL等多种表征手段对复合薄膜材料的组成、结构,光致发光性能和可见光催化性能进行了研究,考察了焙烧温度和Ni2+、Co2+掺杂量对ZnO／ZnAl2O4复合薄膜的光致发光(PL)和可见光催化性能的影响,并探讨了它们之间的内在关系。具体研究成果如下:1、采用共沉淀法制备稳定的NiZnAl-CO3-LDHs浆液,采用涂敷技术在氧化铝基片上沉积NiZnAl-CO3-LDHs涂层前体,经900℃焙烧得到Ni2+掺杂ZnO／ZnAl2O4复合薄膜。UV-vis光谱表征结果表明,Ni2+掺杂含量低于4.3 mol％时Ni2+全部进入复合基质晶格中,且同时存在四面体场与八面体场两种配位形式,Ni2+的掺入使复合基质的吸收带边红移。PL测试结果证明,Ni含量达到4.3 mol％时,Ni2+掺杂的ZnO／ZnAl2O4复合薄膜的发射光谱呈现多峰发射,不仅增强了氧化锌近带边发射,以及红光发射,而且因为d电子引入,增加了中心波长在591 nm和618 nm的黄色和橙色发射光谱带。
　　 2、以CoZnAl-CO3-LDHs为前驱体,经600～800℃焙烧得到Co2+掺杂ZnO／ZnAl2O4复合材料。通过调控投料比和焙烧温度,考察其构造和形貌对其光催化性能的影响；而且考察了材料构成形态,如粉末、薄膜,对光催化性能的影响。可见光催化降解亚甲基蓝实验表明,Co／Zn比为0.05:3,600℃煅烧得到的Co2+掺杂ZnO／ZnAl2O4粉体材料的可见光催化活性最高,达到86.4％,与其对应的薄膜材料可见光催化降解率达到71.7％

目录

文摘

英文文摘

Contents

第一章 绪论

1.1 氧化锌概述

1.1.1 闪锌矿(sphalerite)结构

1.1.2 纤锌矿(wurtzite)结构

1.2 锌铝尖晶石的结构特点

1.3 氧化锌掺杂进展

1.3.1 金属掺杂氧化锌

1.3.2 非金属掺杂氧化锌

1.4 薄膜制备技术

1.4.1 溶胶.凝胶法(sol-gel)

1.4.2 化学气相沉积法(CVD)

1.4.3 脉冲激光沉积法(PLD)

1.4.4 磁控溅射法(MS)

1.4.5 分子束外延法(MBE)

1.5 层状前体法薄膜制备技术

1.6 无机光致发光材料

1.6.1 光致发光概述

1.6.2 无机光致发光材料的分类

1.6.3 氧化锌薄膜发光材料

1.6.4 光致发光机理研究

1.7 无机光催化剂

1.7.1 光催化概述

1.7.2 光催化剂研究

1.7.3 光催化机理

1.8 本课题研究的目的、意义及内容

第二章 Ni掺杂ZnO/ZnAl2O4复合薄膜光致发光性能研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品

2.2.2 实验仪器

2.2.3 Ni掺杂ZnO/ZnAl2O4复合薄膜材料的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 XRD分析

2.3.2 SEM-EDS分析

2.3.3 HTEM分析

2.3.4 Raman谱图分析

2.3.5 XPS谱图分析

2.3.6 TPR谱图分析

2.3.7 UV-Vis吸收光谱分析

2.3.8 PL谱图分析

2.4 小结

第三章 Co掺杂znO/znAl2O4复合薄膜可见光催化性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品

3.2.2 实验仪器

3.2.3 Co掺杂ZnO/ZnAl2O4复合薄膜材料的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 XRD分析

3.3.2 FESEM分析

3.3.3 粒度分析

3.3.4 ICP分析

3.3.5 XPS分析

3.3.6 UV-vis谱图分析

3.3.7 可见光降解实验及分析

3.3.8 光降解原理探讨

3.4 小结

第四章 总结

论文创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书