四腳狀氧化鋅晶須制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、四腳狀氧化鋅晶須(T-ZnOw)是一種具有規(guī)整三維空間結(jié)構(gòu)的多功能無(wú)機(jī)晶體材料。但由于價(jià)格瓶頸，目前尚未得到廣泛的應(yīng)用。本課題針對(duì)T-ZnOw的研究現(xiàn)狀和廣闊的應(yīng)用前景，結(jié)合X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜儀(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)和高分辨透射電鏡(HRTEM)等現(xiàn)代先進(jìn)表征手段，對(duì)T-ZnOw形貌和制備條件的相互關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，探討了T-ZnOw的生長(zhǎng)機(jī)理和生長(zhǎng)過(guò)程，并全面研究了T-Z

2、nOw的光致發(fā)光性能、光催化氧化降解性能以及T-ZnOw/聚丙烯(PP)復(fù)合材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能，取得了一系列研究成果： (1)鑒于目前微米級(jí)氧化鋅晶須的制備方法大多采用純度高的鋅粉、鋅粒或鋅塊等鋅一次資源為原料，導(dǎo)致T-ZnOw生產(chǎn)成本較高的現(xiàn)狀，我們嘗試以更廉價(jià)的鋅浮渣為原料，采用平衡氣量法研究了T-ZnOw的制備?？疾炝送獠糠磻?yīng)環(huán)境、不同金屬鋅品位和雜質(zhì)含量的鋅浮渣對(duì)產(chǎn)品純度和形貌的影響規(guī)律，確定了用鋅浮渣制備微米級(jí)氧

3、化鋅晶須的最佳工藝條件，為鋅浮渣以及熱鍍浮渣、含鋅煙塵等鋅二次資源的回收利用找到了一條附加值更高的新途徑。 (2)本研究巧妙地利用了“真空度”與氧量的關(guān)系，首次提出和采用“真空控氧高溫氣相法”這一制備納米四腳狀氧化鋅晶須的新方法，以高純鋅粒為原料，進(jìn)行了T-ZnOw的制備研究?？疾炝舜呋瘎?分子篩)、反應(yīng)溫度和體系壓力等生長(zhǎng)條件對(duì)產(chǎn)品生長(zhǎng)形貌的影響，成功制備了形貌規(guī)整、尺寸可控的納米T-ZnOw，并確定了真空控氧高溫氣相法制備納

4、米T-ZnOw的最佳工藝。該法與已有的生產(chǎn)T-ZnOw的“鋅粉預(yù)氧化法”、“反應(yīng)器預(yù)熱法”相比，具有工藝流程短、操作簡(jiǎn)單、消耗小等特點(diǎn)，且產(chǎn)品為納米T-ZnOw具有更為廣闊的應(yīng)用潛力；相對(duì)現(xiàn)有的靜態(tài)法，制備的納米氧化鋅晶須具有形貌規(guī)整、長(zhǎng)徑比大、易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。因此“真空控氧高溫氣相法”更具工業(yè)化應(yīng)用前景。 (3)分析探討了T-ZnOw的生長(zhǎng)機(jī)理和生長(zhǎng)過(guò)程。研究表明，T-ZnOw的結(jié)晶生長(zhǎng)遵循氣-固生長(zhǎng)機(jī)理(VS)。選區(qū)

5、衍射和高分辨電鏡結(jié)果表明，納米四腳狀氧化鋅晶須的中心部位存在多重孿晶結(jié)構(gòu)，而針體為單晶，沿著〈001〉方向取向生長(zhǎng)。針體生長(zhǎng)模型有完整光滑面、非完整光滑面等生長(zhǎng)界面結(jié)構(gòu)模型。其生長(zhǎng)過(guò)程基本符合Iwanaga提出的八面體多重孿晶核模型。 (4)深入研究了T-ZnOw的光致發(fā)光性能。結(jié)果表明，室溫下納米T-ZnOw的光致發(fā)光表現(xiàn)為近帶邊紫外發(fā)光和可見光區(qū)的藍(lán)、綠光發(fā)射峰。其中，紫外發(fā)光峰為激子發(fā)光峰；寬化的藍(lán)光和綠光峰為晶體缺陷造成

6、，分別由VoZni締合缺陷和鋅填隙缺陷引起。納米T-ZnOw的紫外-可見吸收(消光)光譜上存在一尖銳吸收峰，表明我們所制備的納米T-ZnOw具有較高的結(jié)晶質(zhì)量。 (5)首次以納米T-ZnOw為光催化劑，研究了納米T-ZnOw對(duì)難降解的有機(jī)染料甲基橙的光催化氧化降解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，討論了光催化機(jī)理，考察了催化劑用量、粒徑和激發(fā)光源等因素對(duì)納米T-ZnOw的光催化氧化降解性能的影響。結(jié)果表明，納米T-ZnOw對(duì)甲基橙的光催化氧化降解反應(yīng)

7、遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律；催化劑納米T-ZnOw的最佳用量為2g/L，且催化劑粒徑越小，降解效果越好。與具有相同粒徑的納米ZnO和TiO2的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，納米T-ZnOw具有高效和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，是一種更好的光催化劑，極具應(yīng)用開發(fā)潛力。 (6)通過(guò)熱壓成型工藝制備了T-ZnOw/PP復(fù)合材料，并深入研究了T-ZnOw的表面改性對(duì)復(fù)合材料的電學(xué)性能和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，T-ZnOw能有效提高PP樹脂的導(dǎo)電性能。當(dāng)T-ZnOw體積含

8、量?jī)H為3％時(shí)，復(fù)合材料電阻率就已經(jīng)降低到109Ω·cm以下，比其他球狀導(dǎo)電填料粒子或者導(dǎo)電纖維用量少得多。在一定填充量范圍內(nèi)，T-ZnOw/PP復(fù)合材料的介電常數(shù)隨著晶須含量的增大而增大；對(duì)T-ZnOw進(jìn)行表面改性處理有利于降低復(fù)合材料的介電損耗；偶聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)也影響復(fù)合材料的介電性能。不同偶聯(lián)劑改性的晶須對(duì)T-ZnOw/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能影響不同。用A151改性時(shí)，兩相界面結(jié)合力最強(qiáng)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量最大，而用鈦酸酯偶聯(lián)