氧化鋅微米星的制備及其紅外吸收與光催化性能的研究.pdf

1、21世紀以來，新型微納材料的產(chǎn)生和發(fā)展，極大地推動了人類社會的進步。這其中，氧化鋅以其多方面的優(yōu)勢備受關注。氧化鋅微納結(jié)構(gòu)材料更是表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)，如壓電性、、熒光性、紫外散射以及紅外吸收能力等。利用其在光、電、磁方面的良好特性，可制作不同的功能材料，如氧化鋅功能薄膜、壓敏材料等，其應用領域廣泛。這些優(yōu)良的光電性質(zhì)來源于它具有的極大激子結(jié)合能(60meV)，使得氧化鋅即使在室溫下也由于激子重組而產(chǎn)生激發(fā)態(tài)。此外，ZnO是一種寬帶隙(

2、3.37eV)復合半導體，適用于短波長光電應用，ZnO半導體微納材料在吸波超材料和光催化領域有著廣泛的應用。尤其近年來，隨著世界工業(yè)以及社會的發(fā)展，大量二氧化碳的排放，導致全球溫室效應愈來愈重。二氧化碳的減排和轉(zhuǎn)換成為了科學界熱議的課題。其中尋找合適的光催化劑，將二氧化碳通過光催化的形式轉(zhuǎn)換成例如一氧化碳、甲烷等高能量密度燃料，尤其受到研究人員的重視。氧化鋅半導體光催化劑也自然備受矚目。本文中研發(fā)了一種極其簡單的氧化鋅3D形貌再構(gòu)的實驗

3、方案，并設計制備了氧化鋅微米星微-納復合結(jié)構(gòu)，探究了其可控生長的條件，并著重研究了其紅外吸收性能以及光催化還原二氧化碳為一氧化碳的效率，具體內(nèi)容如下:
　　第一章中，首先對超材料和氧化鋅半導體超材料進行了簡要的綜述，并著重介紹了氧化鋅半導體微納材料的幾種合成方法:溶膠-凝膠法、水熱法和微波加熱法;其次對光催化和半導體光催化劑進行了介紹，并簡單綜述了基于半導體光催化劑的二氧化碳光催化還原特性。
　　第二章中，采用簡單的水熱法設

4、計合成了一種比表面積高達7.9801m2/g的氧化鋅微米星狀微-納復合結(jié)構(gòu)。此方法與其它水熱法合成氧化鋅微納結(jié)構(gòu)的相比，具有參與反應物少、合成條件溫和、反應周期短及價格便宜等優(yōu)點。在合成了氧化鋅微米星結(jié)構(gòu)后，又對反應的各種條件如稀釋倍數(shù)、反應時間、反應溫度等對氧化鋅生長形貌的影響進行了詳盡的探究，找到了氧化鋅微米星微-納復合結(jié)構(gòu)可控制備的最佳反應條件。
　　第三章中，對所制備的氧化鋅微米星微-納復合結(jié)構(gòu)在紅外波段的吸收性能進行了研

5、究。首先利用FDTD軟件對氧化鋅微米星結(jié)構(gòu)進行了建模，然后在邊界條件為PML的條件下，對單個以及單層氧化鋅微米星結(jié)構(gòu)對紅外波段的吸收進行了軟件模擬計算。而后利用紫外-可見-近紅外分光光度計對所制樣品進行了紅外波段吸收的實驗測試，在900-2000nm的近紅外波段，取得了小于3％的反射率。通過結(jié)果對比，理論模擬和實驗基本吻合。
　　第四章中，設計了新的一種光催化劑。在已合成的氧化鋅微米星微-納復合結(jié)構(gòu)表面上通過硝酸銀紫外光照還原反應

6、生長附著了銀納米顆粒，并測試了其光催化還原二氧化碳為一氧化碳的效率，實驗結(jié)果表明，再構(gòu)型的氧化鋅微米星附著上銀納米顆粒后，使得其光催化還原CO2為CO的效率從商業(yè)氧化鋅粉末的2.29μmolg-1h-1提高到了9.21μmolg-1h-1，增強了4倍之多。分析顯示這是銀顆粒的表面等離激元吸收增強效應與銀顆粒增大ZnO表面電荷輸運活性面兩種效應的結(jié)果，這無疑給ZnO的微納構(gòu)型在光催化領域的應用提供了更廣闊的空間。
　　第五章中，對全