ZnO微納米材料及其復合結構的可控合成和性質(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，探究了不同微結構的形成機理。在此基礎上，本文進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法制備了ZnO/Au復合物，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復合結構進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構(MOF)的廣泛應

2、用，本文以此為前驅(qū)體制備了分級ZnO/NiO復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微納結構的制備以及利用其自還原能力合成ZnO/Au復合物，該復合物表現(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微納米結構，特別是形貌新穎的蝴蝶狀ZnO結構。蝴蝶狀ZnO結構的形成機理解釋為: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。光催化研究結果顯示:ZnO-Au復合物比純的ZnO樣品具有明顯增強的光催化活性。
　　2.采用超聲化學法在ZnO納米棒表面原位生長Au納米顆粒，所得復合物表現(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Au的理論負載量達到4％時，Au/ZnO復合物可以在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復合物可以循環(huán)應用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，主要原因是復合物中Au納米顆粒可以為催化CO過程提供更多的反應活性位點。
　　3.納米片基線團狀ZnO微球的制備及光催化應用研究。以酒石酸作為結構導向劑，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、。結合系統(tǒng)時間依賴實驗的結果，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形成內(nèi)核產(chǎn)生的電場作用的協(xié)同效應。在不同HMT濃度下制備所得樣品的光催化研究結果表明: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微結構及超級電容器性質(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微米結構。實驗探究表明:Zn2+與Ni2+的摩爾比對產(chǎn)物的微觀結構和超級電容器性能均有重要的影響。特別地，當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