特殊形貌ZnO和复合材料的制备及其光催化与气敏特性

作     者：韦力瑗 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘海波

授予年度：2014年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：ZnO 特殊形貌 纳米结构气敏性能 光催化性能 量子点敏化 

摘      要：ZnO作为一种半导体材料,因其高的迁电子移率和其他良好性能,被广泛用作光催化剂和气敏材料,而其形貌、活性面暴露程度对其应用特性有着重要的影响。制备特殊形貌和高活性面的ZnO纳米材料,并采用表面敏化的方法以提高其气敏与光催化性能,探究其机理,是近期的研究热点,具有重要的意义。本课题制备出三种不同特殊形貌、暴露高活性面的纳米ZnO,针对其在气敏中工作温度高和光催化中光生电子空穴易复合等问题,分别用贵金属Au、CdSe和Ag2Se量子点对其进行表面修饰,以改善其光催化和气敏特性。主要内容和结果如下：(1)采用水热法合成由片状结构(片厚约60 nm)组成、直径约为11μm的鸟巢状ZnO(ZnONAs),暴露活性(001)和(110)面,(110)面暴露率为95%,有高比表面积(63.46m2/g)。ZnONAs对于乙醇具有灵敏度高(R=23)、工作温度低(105℃)、响应时间短(19 s)、检测限低(10 ppm)、线性区间宽(10-1000 ppm)、选择性好等优点。其气敏特性主要归就于高活性面及表面大量氧空位,使其易于吸附乙醇分子,并可以促进表面氧化还原反应。此外,因(001)和(110)高活性晶面上氧空位可以捕获光生电子,抑制光生电子空穴对复合,其可紫外光光催化效率是P25的1.2倍。(2)在导玻璃ITO表面,用液相沉积法制备哑铃状纳米ZnO,用离子交换法将Ag2Se量子点对其进行表面敏化。敏化后复合材料(ASZDs)中表面活性位(O。)的比例提高(2.6倍),有利于丙酮分子的吸附和表面氧化。与敏化之前相比,ASZDs对丙酮灵敏度提高了6倍,且工作温度低至105℃、响应快(9 S)、选择性高。(3)采用与(2)类似方法,合成了CdSe量子点敏化哑铃状ZnO复合材料(CSZDs),敏化后表面O-的比例有所提高(1.13倍),促进了乙醇气体在材料表面的吸附与氧化,在110℃下对乙醇灵敏度高(7倍),响应时间短(12s),选择性好。在光催化方面,CSZDs扩展了其对可见光的吸收,有效抑制了光生电子-空穴对的复合,可见光光催化活性是纯ZnO的3倍。另外,CZSDs的外部量子效率相对于ZDs提高了1.5倍,且有良好的光电响应特性,有望将其作为太阳能电池光阳极材料。(4)在ITO表面,用水热法制备出小尺寸鸟巢状ZnO(单个鸟巢状直径2μm),并用Au颗粒(约6 nm)进行表面修饰。经修饰之后,扩展了材料对可见光的吸收范围,并能降低ZnO的功函,加速光生电子从ZnO向吸附态氧(Oads)转移,形成光催化活性物质(·OH),而有效地降解污染物,其催化效率是纯ZnO的3.5倍。