金属离子掺杂zno微_纳米结构的制备及其光催化性质研究

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1、摘要纳米材料被称为21世纪最有前途的材料，它是人类近代科学发展史上一项重要的发现，由于当材料减小到纳米尺寸，会具有很多块体材料所不具有的优良特性，所以纳米材料引起了人们广泛的关注和研究。半导体材料由于其独特的性质，被越来越多的应用在光学、电学以及光电子学领域，而在各种半导体材料中，Zn0的应用尤其广泛。Zn0作为宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60emV，是一种重要的功能材料，在催化剂、光学、传感器、电学、光电子和压电器件等方面具有潜在的应用。而其中将Zn0应用于催

2、化领域，作为光催化剂降解有机污染物被利用的越来越广泛。通常情况下，可以通过以下几种方法提高Zn0的光催化性能:减小半导体粒子的尺寸、半导体之间的复合、表面敏化、金属离子的掺杂以及贵金属的表面沉积等。本文主要研究利用金属离子掺杂以及贵金属的沉积来提高Zn0的光催化性能。金属离子掺杂对Zn0的光催化效率的影响到现在依旧没有一个确定的结论。而在Zn0表面沉积或者负载上Ag，Au，Pt等贵金属几乎所有的文献都报道都可以提高Zn0的光催化效率。而将金属离子掺杂和贵金属的沉积相结合起来研究其对Zn0光催化性

3、能的影响还未见报道，因此我们利用水热法制备了Ag/Zn1-xOMx样品来研究金属离子以及负载Ag对Zn0光催化效率的影响。水热法通常适合用于制备结品完整、粒径较小的粉末产物，而且得到的产物团聚少、纯度高、粒径分布窄，多数情况下形貌可控。本文采用简单的水热法，分别在苯甲醇、乙二醇、乙醇的不同体系下，制备出微米级和纳米级的掺杂Zn0材料，并对其性质进行了研究。本论文的研究内容主要包括以下两部分:(1)采用简单的水热法成功合成了均匀的单晶Znl-xOMx、微/纳米结构(六棱柱形微米样品、方形微米样品和

4、纳米颗粒。应用X一射线衍射((XRD)、扫描电子显微镜((SEM)、透射电子显微镜(TEM)和高倍透射电子显微镜((HRTEM)分别对所得材料的结构和形貌进行表征分析，讨论了实验参数，如溶剂、碱浓度、温度、反应时间等对产物形貌的影响，并对不同Zn0结构的生成机理进行了讨论。(2)采用简单的水热法以乙醇为溶剂成功合成了不同掺杂浓度的Zn1-XFexO(x=00.01,0.02,0.04)样品，应用X一射线衍射((XRD)、能谱((EDAX)、透射电子显微镜((TEM)分别对所得材料一的结构和形貌进

5、行表征分析，大小和形貌为20nm的球形颗粒，并将所制得的Znl-xFexO样品应用于光催化降解有机物，通过紫外一可见吸收光谱(Uv-Vis)测试对其性能进行了表征分析，主要研究了掺杂离子和表面贵金属沉积对ZnO光催化性能的影响，给出了一些合理的解释并得到了一些有意义的结论。1.1引言纳米材料是纳米科学技术发展的重要基础。纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平，在1-100nm之间，且具有特殊功能的材料。纳米材料由于其特殊的性质近年来受到了人们广泛的重视。人们通过不断地努力研究，已将纳米材料

6、逐渐发展成为以纳米材料为基础的一门学科一纳米科学技术。纳米科学技术是指在纳米尺度上(1-100nm)上研究物质组成体系的相互作用和运动规律，以及研究他们在应用中实现特定的功能以及智能作用多学科交叉的科学与技术，纳米科学技术被认为是20世纪80年代末诞生并正在举起的新科技。纳米科学技术也是指在纳米尺寸范围内认识自然、改造自然，并通过操作原子、分子等而创造出新的物质。纳米科学技术的出现标志着人类改造自然的能力已经延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术进入了一个新的时代。由于这门学科与许多相关学科诸

7、如化学、物理学、材料学、电子学、光学存在着密切的联系，于是就产生了许多与纳米科学相关的分支学科，例如纳米化学、纳米物理学、纳米电子学、纳米生物学等等;派生出了纳米技术、纳米工艺等新的工艺技术。这些纳米分支学科的出现，为纳米材料的发展提供了科学基础，丰富了纳米材料科学的内涵，拓展了纳米材料科学的外延，极大地推动了纳米材料科学的发展。而纳米化学的实质就是纳米材料化学，因为纳米本身就是指在纳米尺度(1-100nm)内的具体材料，因而纳米材料化学是纳米科学技术中的很重要的一门学科，甚至可以说是纳米科学技

8、术中其他各门分支学科的基础。纳米化学就是关于纳米材料的性质、合成、结构及其变化规律的学科。按照纳米材料应用的目的，可以将纳米材料分为纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米生物材料等;根据纳米材料的组成，又可以将其划分成无机纳米材料、有机纳米材料。而按照其维度又可划分为零维(纳米颗粒与量子点等)，一维(纳米管和纳米线)，二维(纳米薄膜、纳米带，纳米片、纳米棒)纳米材料。纳米材料由于尺度减小，当尺寸减小到纳米范围以后，由于晶粒减小使得表面积增加，从而也就使存在于晶粒表面无序排列的原子数远远大于晶态材料中表