Ag及Ag/ZnO纳米材料的绿色合成及其应用研究

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由于具有区别于块状材料的独特性质,纳米材料在催化、电子器件、信息存储、光学器件、生物传感、微区成像以及医药等方面具有巨大的应用潜力。近年来在通过控制纳米粒子的尺寸和形貌来调节其性质并应用于某些领域方面取得了巨大的进步。但随着对环境保护的日益关注,寻求更加绿色、高效的纳米材料合成方法仍然是一项具有挑战性的工作。本文采用相对绿色的方法,分别合成了三角形Ag纳米片、Ag/ZnO纳米棒和Ag/ZnO中空微球。在制备过程中,应用了新型绿色溶剂离子液体和生物相容材料如抗坏血酸、酪氨酸和海藻酸钠等。并且所制备的材料在抗菌、表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)检测和光催化降解环境污染物等方面表现出了优异的性能。本文各章的主要内容如下:第1章,简要综述了纳米材料绿色合成的研究进展,主要包括绿色溶剂、生物合成和绿色制备工艺三个方面。第2章,利用[C6mim][PF6]-H2O体系制备了三角形Ag纳米片,并利用XRD、TEM和SAED等手段对其结构进行了表征,最后对三角形Ag纳米片的抗菌性能和作为SERS活性基体检测4-氨基硫酚进行了研究。结果表明,降低Ag+的还原速度而使得合成过程受动力学控制是成功合成三角形Ag纳米片的决定因素;结构表征证实,Ag纳米片的上下两个底面为{111}面,晶体结构中面缺陷的存在导致了SAED中1/3{422}衍射斑点的存在,而其表面的明暗条纹则是由纳米片的弯曲变形引起的;由于大量高活性{111}面的存在,所制备的Ag纳米片表现处了良好的抗菌性能,其最小抑菌浓度(minimuminhibition concentration,MIC)值对格氏阴性的Escherichia coli和格氏阳性的Staphylococcus aureus分别为15和20μg/mL;以Ag纳米片作为SERS活性基体,可检测到溶液中浓度仅为10-7M的4-氨基硫酚,电磁场增强和电子转移都对SERS信号的增强起到重要的作用。第3章,采用水热合成的方法制备了Ag/ZnO复合纳米棒,利用XRD、SEM、FEM和XPS等对其结构进行了表征,并对其抗菌活性和光催化降解橙黄G的性能进行了研究。结果表明,酪氨酸不仅是Ag+离子的还原剂而且是Ag/ZnO纳米棒的结构导向剂,制备过程中酪氨酸的浓度和加入氨水的体积对样品的形貌影响较大。结构表征显示,Ag/ZnO为有侧面的纳米棒并且Ag纳米粒子镶嵌在ZnO的表面。在Ag/ZnO纳米棒光催化降解橙黄G的过程中,由于Ag纳米粒子作为电子池有效地阻止了光致电子-空穴的复合,从而大大提高了Ag/ZnO纳米棒的光催化性能。而在抗菌过程中,由于金属Ag和半导体ZnO之间的强相互作用,使得Ag纳米粒子带部分正电荷,此外由于ZnO纳米棒起到Ag纳米粒子载体的作用,而使Ag/ZnO复合材料表现出协同的高效抗菌性能。第4章,采用水热合成的方法制备了3D的Ag/ZnO中空微球,对其结构进行了表征,并研究了海藻酸钠和氨水的加入量对3D中空微球形成的影响,最后对其光催化降解橙黄G的性能进行了研究。结构表征显示,3D的Ag/ZnO中空微球是由Ag/ZnO纳米棒沿着其生长方向垂直于微球表面而定向排列所组成的,Ag纳米粒子除了起到分离电子-空穴的作用外,还起到调节ZnO表面羟基含量的作用。因此,在合适的Ag含量时,Ag/ZnO中空微球表现出良好的光催化降解性能。第5章,总结了本文主要研究成果和存在的不足,并就下一阶段将要开展的研究工作进行了展望。
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