zno纳米组装结构的光化学性能研究【字数：9518】
纳米ZnO具有优异的抗紫外线、杀菌抑菌、光催化能力以及较优良的光电性能，是一种被广泛应用的无机功能性粉体材料。本研究主要以尿素、硝酸锌为原料，采用水热法制备出粒径大小在10 μm、由纳米片嵌合在一起组装形成的花状ZnO前驱体。之后通过对其煅烧温度、气氛的多次尝试，寻找到了能够保持其前驱体形貌的煅烧方案。然后进行荧光性能测试，发现ZnO_N2样品在红光波段（755 nm）有明显的发光峰，这可能是由于在N2气氛下煅烧时少量的C、N元素掺杂，这一样品有可能可用于生物体荧光检测。另一方面我们利用不同气氛下的煅烧产物在汞灯（紫外光）及氙灯（模拟太阳光）的照射条件下对甲基橙进行降解。实验结果表明ZnO_N2对甲基橙溶液的降解效果表现较为理想，紫外光照射下，30 min时便已降解完全；而且该样品在模拟太阳光照射下也有较优的降解效果。
目录
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1引言 1
1.1氧化锌基本结构和性能、 1
1.2 纳米氧化锌 2
1.2.1 纳米材料的特性 2
1.2.2 纳米氧化锌的制备方法 2
1.3 纳米氧化锌在光催化中的应用 4
1.4 纳米氧化锌光催化剂的工作原理 5
1.5 本论文的研究目的与意义 5
2实验部分 7
2.1 实验药品 7
2.2 实验仪器 7
2.3样品的制备 7
2.3.1 ZnO前驱体制备 7
2.3.2 样品煅烧温度和升温速率的调控 8
2.3.3 样品煅烧气氛的调控 8
2.3.4 煅烧样品的荧光测试分析 9
2.3.5 煅烧样品的光催化降解性能测试 9
2.4样品表征 10
2.4.1 样品的XRD测试 10
2.4.2 扫描电镜测试 10
3结果与讨论 11
3.1 XRD测试 11
3.2 SEM形貌 12
3.2.1 前驱体SEM形貌 12
3.1.2 前驱体煅烧后SEM形貌 13
3.3 荧光测试分析结果 14
3.4 光降解效果 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
4结论 21
参考文献 22
致谢 24
1引言
随着现代社会的快速发展，半导体材料和纳米材料因其具备特殊的性能逐渐成为了人类重点关注的对象。随着科技的发展，人们逐渐发现它在医药、电磁、光催化等许多领域有很重要的应用价值。它还具备普通ZnO无法比拟的特性及用途，可应用于制造气体传感器、荧光体、变阻器等。因为其禁带宽度达到了3.37 eV，是一种优良的光催化剂，在污水染料降解起到了重要的作用，与传统污水处理技术相比较，纳米ZnO具有优秀的高效、污染物降解完全等特点[1]。
能否控制材料的晶粒尺寸、形貌和分布，从一定方面上决定了该材料是否能够得到广泛的应用。ZnO粒子的超细化可以显著改善其性能，并且纳米ZnO在光、电、磁等敏感材料方面呈现出了常规材料不具备的特殊性能，这一发现令其具有广阔的应用前景；同时它在蓝紫光器件方面也展示出了强大的能力[2]。
1.1氧化锌基本结构和性能、
ZnO是IIVI族的金属氧化物，这是一种极其重要的半导体材料，在我们日常生活中得到了广泛的运用，因为ZnO的离子性介于共价键跟离子键之间，所以ZnO晶体中的化学键能比离子晶体要低，在外界因素的影响下可能导致其晶体结构的变化。ZnO的三种常见晶体结构分别为岩盐矿、闪锌矿以及纤锌矿结构，如下图1[3]。其中纤锌矿结构是最为稳定，也是最为常见的。在它的c轴方向上，O原子与Zn原子交替错开排列，每一个Zn原子和靠近的O原子共同构成了一个四面体。[3]
/
a
b
c
图1 ZnO的三种典型结构（a）岩盐矿结构 （b）闪锌矿结构 （c）纤锌矿结构
其中蓝色小球为Zn原子，红色为O原子
表1 纤锌矿型ZnO的基本结构参数[3][4]
材料
ZnO
能隙性质
直接带隙
禁带宽度（eV）
3.37
晶格常数（nm） a=0.325 c=0.521
熔点（K）
大于1800
热导率（W/cm K）
0.595(a轴)，1.2（c轴）
1.2 纳米氧化锌
1.2.1 纳米材料的特性
纳米材料包含四种基本性质：表面效应是指纳米颗粒粒子粒径减小，表面原子数和表面自由能却增大，从而引起的表面原子数和总原子数比值增大的现象；小尺寸效应是伴随着粒子粒径的减小，粒子会在光、电方面产生新的物理化学特性[5]；量子尺寸效应是指当纳米颗粒减小至某一范围时，费米能级附近的电子能级出现能级劈裂或能隙变宽的现象[6]；而宏观量子隧道效应是一种基本的量子现象，指的是即使纳米粒子的能量低于势垒高度，也能越过势垒高度的现象。
正是由于这些基本性质才使得纳米材料获得了特殊的物理化学性能，引起了学者们的研发热潮和强烈关注。鉴于对这些纳米材料特性不断的研究和了解，越来越多建立在这些性能上的技术被开发出来，最后被应用在我们的实际生活当中去。
1.2.2 纳米氧化锌的制备方法
纳米氧化锌在电、磁、光等方面拥有更加优异的性能，因为其具有较宽的禁带宽度，是一种优良的光催化剂，在污水染料降解起到了重要的作用[7]，其中制备纳米ZnO的方法有很多种，有溶胶凝胶法、液相合成法、蒸发法、水热法和湿化学合成法等[8]。
因其制备方法的不同，目前主要分为以下几种制备方法。
化学沉淀法
董乾英[9]等人利用硫酸锌和碳酸钠作为原料，通过液相沉淀法制出平均粒径大小为60 nm、颗粒大小均匀、分散性好的氧化锌，在400 ℃下进行煅烧实验，最终产物形貌呈现球形，同时发现纳米氧化锌的光催化能力较强，对酸性品红和甲基橙的降解率分别达到98.75 %和92.37 %。
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1引言 1
1.1氧化锌基本结构和性能、 1
1.2 纳米氧化锌 2
1.2.1 纳米材料的特性 2
1.2.2 纳米氧化锌的制备方法 2
1.3 纳米氧化锌在光催化中的应用 4
1.4 纳米氧化锌光催化剂的工作原理 5
1.5 本论文的研究目的与意义 5
2实验部分 7
2.1 实验药品 7
2.2 实验仪器 7
2.3样品的制备 7
2.3.1 ZnO前驱体制备 7
2.3.2 样品煅烧温度和升温速率的调控 8
2.3.3 样品煅烧气氛的调控 8
2.3.4 煅烧样品的荧光测试分析 9
2.3.5 煅烧样品的光催化降解性能测试 9
2.4样品表征 10
2.4.1 样品的XRD测试 10
2.4.2 扫描电镜测试 10
3结果与讨论 11
3.1 XRD测试 11
3.2 SEM形貌 12
3.2.1 前驱体SEM形貌 12
3.1.2 前驱体煅烧后SEM形貌 13
3.3 荧光测试分析结果 14
3.4 光降解效果 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
4结论 21
参考文献 22
致谢 24
1引言
随着现代社会的快速发展，半导体材料和纳米材料因其具备特殊的性能逐渐成为了人类重点关注的对象。随着科技的发展，人们逐渐发现它在医药、电磁、光催化等许多领域有很重要的应用价值。它还具备普通ZnO无法比拟的特性及用途，可应用于制造气体传感器、荧光体、变阻器等。因为其禁带宽度达到了3.37 eV，是一种优良的光催化剂，在污水染料降解起到了重要的作用，与传统污水处理技术相比较，纳米ZnO具有优秀的高效、污染物降解完全等特点[1]。
能否控制材料的晶粒尺寸、形貌和分布，从一定方面上决定了该材料是否能够得到广泛的应用。ZnO粒子的超细化可以显著改善其性能，并且纳米ZnO在光、电、磁等敏感材料方面呈现出了常规材料不具备的特殊性能，这一发现令其具有广阔的应用前景；同时它在蓝紫光器件方面也展示出了强大的能力[2]。
1.1氧化锌基本结构和性能、
ZnO是IIVI族的金属氧化物，这是一种极其重要的半导体材料，在我们日常生活中得到了广泛的运用，因为ZnO的离子性介于共价键跟离子键之间，所以ZnO晶体中的化学键能比离子晶体要低，在外界因素的影响下可能导致其晶体结构的变化。ZnO的三种常见晶体结构分别为岩盐矿、闪锌矿以及纤锌矿结构，如下图1[3]。其中纤锌矿结构是最为稳定，也是最为常见的。在它的c轴方向上，O原子与Zn原子交替错开排列，每一个Zn原子和靠近的O原子共同构成了一个四面体。[3]
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图1 ZnO的三种典型结构（a）岩盐矿结构 （b）闪锌矿结构 （c）纤锌矿结构
其中蓝色小球为Zn原子，红色为O原子
表1 纤锌矿型ZnO的基本结构参数[3][4]
材料
ZnO
能隙性质
直接带隙
禁带宽度（eV）
3.37
晶格常数（nm） a=0.325 c=0.521
熔点（K）
大于1800
热导率（W/cm K）
0.595(a轴)，1.2（c轴）
1.2 纳米氧化锌
1.2.1 纳米材料的特性
纳米材料包含四种基本性质：表面效应是指纳米颗粒粒子粒径减小，表面原子数和表面自由能却增大，从而引起的表面原子数和总原子数比值增大的现象；小尺寸效应是伴随着粒子粒径的减小，粒子会在光、电方面产生新的物理化学特性[5]；量子尺寸效应是指当纳米颗粒减小至某一范围时，费米能级附近的电子能级出现能级劈裂或能隙变宽的现象[6]；而宏观量子隧道效应是一种基本的量子现象，指的是即使纳米粒子的能量低于势垒高度，也能越过势垒高度的现象。
正是由于这些基本性质才使得纳米材料获得了特殊的物理化学性能，引起了学者们的研发热潮和强烈关注。鉴于对这些纳米材料特性不断的研究和了解，越来越多建立在这些性能上的技术被开发出来，最后被应用在我们的实际生活当中去。
1.2.2 纳米氧化锌的制备方法
纳米氧化锌在电、磁、光等方面拥有更加优异的性能，因为其具有较宽的禁带宽度，是一种优良的光催化剂，在污水染料降解起到了重要的作用[7]，其中制备纳米ZnO的方法有很多种，有溶胶凝胶法、液相合成法、蒸发法、水热法和湿化学合成法等[8]。
因其制备方法的不同，目前主要分为以下几种制备方法。
化学沉淀法
董乾英[9]等人利用硫酸锌和碳酸钠作为原料，通过液相沉淀法制出平均粒径大小为60 nm、颗粒大小均匀、分散性好的氧化锌，在400 ℃下进行煅烧实验，最终产物形貌呈现球形，同时发现纳米氧化锌的光催化能力较强，对酸性品红和甲基橙的降解率分别达到98.75 %和92.37 %。
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