论文部分内容阅读
采用水热、溶剂热法制备出ZnO纳米锥、纳米台、不同厚度的纳米片、多孔六边形纳米片、纳米片组装的多孔纳米球和ZnS纳米球。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜和红外光谱仪对产物的形貌和结构进行了表征。研究了不同形貌ZnO、ZnS的生长过程,提出了相关的生长机理。探讨了正丁胺和聚乙烯吡咯烷酮在六方相ZnO、ZnS不同晶面上的选择性吸附对形成暴露不同晶面纳米结构所起的关键作用。研究了不同形貌ZnO、ZnS纳米结构的光催化特性和传感特性,探讨了纳米结构暴露的晶面、形貌、尺寸与性能之间的关系。这些结果为ZnO、ZnS纳米结构材料的制备、物理化学性能研究以及在光电子、太阳能电池、光催化等领域的应用奠定了基础。具体研究结果如下：(1)在醋酸锌-正丁胺-四氢呋喃溶剂热体系中,通过改变正丁胺和Zn2+的摩尔比,140℃下反应12h制备出具有不同(002)取向和形貌的ZnO纳米晶。由于不同质量的正丁胺选择性吸附在ZnO(001)晶面上而形成不同(002)取向和形貌的ZnO纳米晶。研究它们光催化降解甲基橙的性质,实验表明ZnO暴露的{001}晶面是反应的活性面。使用周期密度泛函理论计算{001}晶面的结构和原子电荷分布,提出了ZnO极性{001}面之间的电荷分离模型：带正电荷的Zn-ZnO (001)晶面和带负电荷O-ZnO(001)晶面间由于自发极化作用产生了内电场；内电场为光生电子、空穴的分离提供驱动力,使在带正电荷的(001)晶面和带负电荷的(001)晶面上迅速发生还原反应和氧化反应。这种电荷分离模型可以解释暴露{001}晶面的ZnO纳米材料在降解甲基橙时表现出高的催化活性。(2)将Zn基底上生长的片状前驱体Zn5(OH)8Cl2·H2O-Zn2OCl2·2H2O在400℃下保温60min制备出暴露{001}晶面的多孔ZnO纳米片。将ZnCl2溶液滴加在Zn片上,并在340℃下保温60min得到上述锌前驱体。多孔ZnO纳米片光降解甲基橙的实验表明：与ZnO纳米棒相比,片状结构具有更高的光催化效果。多孔ZnO纳米片具有的优异的光催化反应活性依赖于其暴露的{001}晶面和大的比表面积。通过密度泛函理论计算出{001}晶面是极性晶面,并提出极性晶面间的电荷分离模型。带正电荷Zn-ZnO (001)晶面和带负电荷O-ZnO (001)晶面间由于自发极化作用产生内电场,以此为驱动力加速半导体光生电子-空穴分离,使还原反应和氧化反应分别发生在其对应的晶面上。(3)在硝酸锌-硫脲-聚乙烯吡咯烷酮-乙二醇-水体系中通过调节反应温度制备出不同(002)取向的ZnS纳米球。研究了乙二醇和PVP在制备不同尺寸和(002)取向的ZnS纳米结构中所起的作用,提出可能的生长机理；并研究其光催化降解甲基橙的性质。实验结果表明组成ZnS纳米球的小颗粒暴露的{001}晶面是反应的活性面。六方相ZnS的{001}面是极性晶面,在带正电荷的Zn-ZnS (001)晶面和带负电荷S-ZnS (001)晶面间由于自发极化作用产生了内电场；内电场为电荷分离提供驱动力,降低了光生电子-空穴的复合几率,增加了在其表面发生还原、氧化反应的速率,从而提高光催化降解效率。(4)将六方相ZnS纳米球放置在马弗炉中550℃煅烧2h,制备出由暴露{001)晶面的ZnO纳米片组装的多孔纳米球结构。测试了多孔ZnO纳米球传感器对不同浓度的乙醇、三乙胺和丙酮蒸气的传感性能,并提出反应机理。在350℃下,多孔ZnO纳米球传感器对105ppm乙醇蒸汽、9ppm三乙胺蒸汽和85ppm的丙酮蒸气响应灵敏度分别是13.6、14.9和9.8。此外,还以多孔ZnO纳米球为催化剂,研究其光催化降解甲基橙的溶液,实验结果表明这种结构具有优异的光催化降解性能。使用周期密度泛函理论计算ZnO{001}晶面的结构和原子电荷分布,提出了ZnO极性{001}面之间的电荷分离模型,用于解释暴露{001}晶面的ZnO纳米片组装的多孔纳米球光催化性能明显优于ZnO纳米棒组成的空心球结构的原因。