基于掺杂和形貌控制的ZnO功能调控

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晶体材料的性能严重依赖其结构特征,包括微观结构和宏观结构。通过掺杂和形貌控制分别影响晶体的微观结构和宏观结构可以实现对晶体材料性能的调控。本论文以氧化锌(ZnO)为研究对象,从微观和宏观结构出发,以晶体缺陷理论和晶体生长理论为指导,分别从掺杂和形貌控制两个方面对ZnO的性能进行调控。在掺杂控制方面,利用F, C共掺杂实现了对ZnO光催化和抗菌性能的调控;在形貌控制方面,制备出不同形貌的ZnO,研究了形貌对光催化、抗菌和热催化性能的影响。主要研究工作及成果如下:(一)在掺杂方面,采用均匀沉淀法制备出了F,C共掺杂纳米ZnO。通过分析手段对各样品的结构、形貌、元素和缺陷等进行了表征。同时对其光催化、热催化和抗菌性能进行了研究,得到如下的结论:(1)F,C共掺杂纳米ZnO为纯纤锌矿型,粒径大小为30nm左右。由于F取代O的晶格位点,而C取代Zn的晶格位点,所以F和C的主要存在形式为F-Zn、F-C、F-C-F和O-C-O等。F取代O晶格位点形成的FO缺陷产生的。随着F掺杂量的升高,FO缺陷的浓度升高,在3%时达到最大值。(2)F和C的掺杂抑制了纳米ZnO的光催化性能,当F掺杂量为3%时抑制效果最强。光催化活性的降低一方面是深层能级缺陷FO的形成造成氧空位的减少;另一方面F的钝化作用减少了OS2-/OS-表面态的形成,阻碍空穴向ZnO表面的迁移。(3)与纯纳米ZnO一样,F,C共掺杂纳米ZnO具有很好的抗菌性能。这说明光催化抗菌机理可能并不是纳米ZnO的主要抗菌机理。热催化的测试结果表明,F,C共掺杂纳米ZnO具有相对更好的热催化性能,使AP的高温分解阶段消失,而低温分解温度向低温方向偏移9℃。(二)在形貌控制方面,分别采用沉淀法和水热法制备出了花状、胶囊状和球状ZnO。借助材料分析手段,对其进行结构等方面的表征,提出了不同形貌的形成机理,并对其光催化、抗菌和热催化降解AP的性能进行了研究。得到如下结论:(1)以氢氧化钠和硝酸锌为原料,将硝酸锌滴加到0.4M氢氧化钠溶液中制备出了菜花状ZnO,“花瓣”的生长方向为[0002]晶向。只改变氢氧化钠的浓度时,花瓣的形貌有所变化,而只改变滴加方向时,所得ZnO为胶囊状。受溶液pH值影响的成核阶段和生长阶段的不同可能是造成形貌差异的原因。PL光谱显示胶囊状ZnO中的氧空位缺陷浓度明显高于其他样品。(2)胶囊状氧化锌具有最好的光催化和抗菌性能,这与其氧空位浓度和暴露在外的非极性面有关。大量的裂纹使菜花状氧化锌具有较多的氧空位和活性原子,从而具有较好的光催化和抗菌性能。菜花状ZnO具有最佳的热催化性能,其低温分解峰向低温方向偏移到290℃。(3)以TEA,硝酸锌和NaOH为原料,采用水热法制备出了由纳米级小颗粒组装而成,直径约为2μm的球状ZnO。无序的组装使其表面和内部形成大量的裂缝和空洞。UV-Vis和PL光谱显示5mL TEA制备的球状ZnO中光生电子和空穴的复合率最低,而3mL TEA制备的ZnO具有最小带隙。(4)不同TEA添加量所制备样品的光催化性能顺序为5mL>3mL>7mL;三种样品都具有非常优异的抗菌性能。3mL TEA制备的ZnO具有最佳的热催化效果,其分解过程集中到低温分解阶段,并且分解峰向低温方向移动13℃,达到285℃。创新点:首次提出并实现了氧化锌的功能选择性调控。
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