ZnO微納米材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的可控合成和性質(zhì)研究.pdf

1、本論文采用水熱及溶劑熱法，利用不同的表面活性劑控制合成了不同形貌的ZnO微納米材料，主要包括納米棒、蝴蝶花、介晶微球等，探究了不同微結(jié)構(gòu)的形成機理。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究了在不引入外加還原劑的條件下，通過簡單攪拌和超聲化學(xué)法制備了ZnO/Au復(fù)合物，并探索了上述條件下Au3+還原為Au0的機理。對于合成的ZnO及ZnO/Au復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光催化降解有機染料的性能研究，并討論了其光催化機理。此外，基于金屬有機框架結(jié)構(gòu)(MOF)的廣泛應(yīng)

2、用，本文以此為前驅(qū)體制備了分級ZnO/NiO復(fù)合材料并研究其超級電容器的性能。本文的具體研究內(nèi)容如下:
　　1.蝴蝶狀ZnO微納結(jié)構(gòu)的制備以及利用其自還原能力合成ZnO/Au復(fù)合物，該復(fù)合物表現(xiàn)出增強的光催化活性。以酒石酸作為表面活性劑，采用水熱法和后續(xù)的煅燒過程，制備得到形貌各異的ZnO微納米結(jié)構(gòu)，特別是形貌新穎的蝴蝶狀ZnO結(jié)構(gòu)。蝴蝶狀ZnO結(jié)構(gòu)的形成機理解釋為:在納米顆粒與重建納米片之間靜電相互作用的誘導(dǎo)下，晶體的成核-生長

3、-自組裝過程。在蝴蝶狀ZnO表面沉積Au納米顆粒的過程中沒有引入外加還原劑，僅僅通過室溫攪拌含有HAuCl4·4H2O的ZnO溶液即可獲得ZnO/Au復(fù)合物。研究表明:低溫煅燒制備ZnO的過程中，ZnO表面的酒石酸分子結(jié)晶成為晶體，使得所得樣品對Au3+表現(xiàn)出還原性。光催化研究結(jié)果顯示:ZnO-Au復(fù)合物比純的ZnO樣品具有明顯增強的光催化活性。
　　2.采用超聲化學(xué)法在ZnO納米棒表面原位生長Au納米顆粒，所得復(fù)合物表現(xiàn)出優(yōu)異的

4、光催化能力。超聲體系中不添加任何外加還原劑，在ZnO納米棒表面實現(xiàn)Au的原位沉積，主要原因是:在超聲處理過程中，體系中會產(chǎn)生具有還原性的H原子和自由電子。所得的Au/ZnO異質(zhì)結(jié)在光催化降解過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性。特別地，當(dāng)Au的理論負(fù)載量達(dá)到4％時，Au/ZnO復(fù)合物可以在12 min內(nèi)完全降解RhB染料。光催化活性增強的原因是復(fù)合物中Au可以作為電子捕獲劑，加強光生電子-空穴的分離。上述Au/ZnO復(fù)合物可以循環(huán)應(yīng)用5次而沒有

5、明顯的活性衰弱，表明該催化劑具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，CO氧化的研究結(jié)果表明:Au的引入極大地增強了ZnO材料的催化活性，主要原因是復(fù)合物中Au納米顆?？梢詾榇呋疌O過程提供更多的反應(yīng)活性位點。
　　3.納米片基線團狀ZnO微球的制備及光催化應(yīng)用研究。以酒石酸作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，采用水熱法合成了由ZnO納米片組裝而成的線團狀ZnO介晶。實驗研究表明六亞甲基四胺(HMT)的濃度對ZnO產(chǎn)物的尺寸分布及納米片的堆疊程度起到非常重要的影響

6、。結(jié)合系統(tǒng)時間依賴實驗的結(jié)果，可以推測納米片基ZnO介晶的形成原因可能是納米片間偶極相互作用和預(yù)形成內(nèi)核產(chǎn)生的電場作用的協(xié)同效應(yīng)。在不同HMT濃度下制備所得樣品的光催化研究結(jié)果表明:產(chǎn)物的暗處理吸附能力和光降解能力隨HMT濃度的增加而增強，可能的原因是ZnO樣品比表面積的增加促進(jìn)了光生載流子在催化劑和染料分子之間的遷移。
　　4.MOF驅(qū)動合成分級ZnO/NiO微結(jié)構(gòu)及超級電容器性質(zhì)研究。以對苯二甲酸作為有機連接劑，采用溶劑熱法和

7、隨后N2/O2氣氛下的煅燒過程合成納米片基分級ZnO/NiO微米結(jié)構(gòu)。實驗探究表明:Zn2+與Ni2+的摩爾比對產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)和超級電容器性能均有重要的影響。特別地，當(dāng)Zn+和Ni2+的摩爾比分別控制為1∶2和1∶1時，我們可以分別獲得由納米片組裝而成的分級ZnO/NiO中空微球和微米花。當(dāng)樣品用作超級電容器的電極時，相比于中空微球，花狀ZnO/NiO表現(xiàn)出更大的比電容和更高的比容量。在電流密度為1 Ag-1時，所得微米花的比電容可以達(dá)