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金属离子掺杂ZnO微/纳米结构的制备及其光催化性质研究

作　者: 张晶
导　师: 曾京辉
学　校: 陕西师范大学
专　业: 无机化学
关键词: 水热合成 ZnO 掺杂 光催化
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


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,ZnO的应用尤其广泛。ZnO作为宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高达60 emV,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ZnO应用于催化领域,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ZnO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ZnO的光催化性能。金属离子掺杂对ZnO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ZnO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ZnO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ZnO光催化性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ZnO光催化效率的影响。水热法通常适合用于制备结晶完整、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ZnO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Zn1-xOMx微/纳米结构(六棱柱形微米样品、方形微米样品和纳米颗粒。应用X-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ZnO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=0,0.01,0.02,0.04)样品,应用X-射线衍射(XRD)、能谱(EDAX).透射电子显微镜(TEM)分别对所得材料的结构和形貌进行表征分析,大小和形貌为20nm的球形颗粒,并将所制得的Zn1-xFexO样品应用于光催化降解有机物,通过紫外-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。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-27
  1.1 引言  9-12
  1.2 ZnO的特性、晶体结构及其基本物理化学性质  12-15
    1.2.1 ZnO的研究概况  12-13
    1.2.2 ZnO半导体的晶体结构  13-14
    1.2.3 ZnO的物理化学性质及其应用  14-15
  1.3 掺杂ZnO纳米材料的性质及应用  15-17
    1.3.1 ZnO的n型掺杂  15
    1.3.2 ZnO的p型掺杂  15-16
    1.3.3 掺杂ZnO纳米材料的应用  16-17
  1.4 ZnO纳米材料的制备方法  17-25
    1.4.1 固相法  17
    1.4.2 气相法  17-18
    1.4.3 液相法  18-20
    1.4.4 金属离子掺杂ZnO纳米结构的研究进展  20-25
  1.5 选题意义及研究内容  25-27
    1.5.1 选题意义  25
    1.5.2 本课题主要研究内容  25-27
第2章 不同体系中金属离子掺杂ZnO纳米结构的制备及其机理讨论  27-39
  2.1 引言  27
  2.2 实验部分  27-29
    2.2.1 试剂与仪器  27-28
    2.2.2 苯甲醇体系中Al、Cu掺杂ZnO纳米结构的制备  28
    2.2.3 乙二醇体系中Al、Cu掺杂ZnO纳米结构的制备  28
    2.2.4 乙醇体系中Al、Cu、Fe掺杂ZnO纳米结构的制备  28-29
    2.2.5 产物表征  29
  2.3 结果与讨论  29-36
    2.3.1 结构与形貌  29-35
    2.3.2 不同尺寸掺杂ZnO形貌的生长机理  35-36
  2.4 本章小结  36-39
第3章 不同浓度Fe掺杂ZnO纳米颗粒的制备及其光催化性质研究  39-53
  3.1 引言  39
  3.2 纳米氧化锌光催化原理  39-42
  3.3 ZnO光催化性能的影响因素  42
  3.4 提高ZnO光催化性能的方法  42-44
  3.5 试验部分及表征方法  44-46
    3.5.1 试剂与仪器  44-45
    3.5.2 Fe掺杂ZnO纳米颗粒的合成  45
    3.5.3 光催化性质的测试  45
    3.5.4 表征方法  45-46
  3.6 结果与讨论  46-50
    3.6.1 结构与形貌  46-48
    3.6.2 Zn_(1-x)OFe_x纳米颗粒的光催化活性比较及其机理研究  48-50
  3.7 本章结论  50-53
第4章 结论  53-55
参考文献  55-67
致谢  67-69
攻读硕士学位期间的研究成果  69

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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