基于ZnO量子点的纳米ZnO原位制备及其在纺织品上的应用研究

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量子点又称纳米晶,因其独特的性质及在诸多领域的广阔应用前景而成为重点研究对象。当微粒尺寸减小至激子的玻尔半径时,由于晶界改变了电子分布状态,相应的电子能态从连续的能带变为分立的能级结构,使带隙变宽,表现出量子限域效应。近十年来,人们在半导体量子点的合成及应用领域取得了长足进展。在众多无机半导体中,ZnO禁带宽度大(3.37eV),激子束缚能高(60meV),具有优异的光电性能,在生物成像、光伏器件及发光二级管等领域显示出诱人的应用前景,而广为人们所关注。但要充分利用量子点的独特性质,在开发制备具有单分散性,且性质稳定的ZnO量子点的新技术及进一步提高其应用性能上仍任重道远,面临诸多挑战。本论文的工作围绕着ZnO量子点的制备及基于ZnO量子点的纳米ZnO在纺织品中的应用展开,主要进行了以下三方面的工作:(Ⅰ)溶胶-凝胶法制备和表征ZnO量子点,本部分同时探讨了制备条件对ZnO量子点结构和光学性质的影响;(Ⅱ)采用两种表面包覆方法以增加ZnO量子点稳定性,重点研究表面修饰后量子点的光学性质;(Ⅲ)利用ZnO量子点作为水热生长的晶种在棉织物上生成致密的ZnO纳米棒,并对处理后织物的紫外防护性能进行了研究。具体研究内容如下:1.采用溶胶-凝胶法成功制备了ZnO量子点,对其晶体结构、尺寸形貌及光学性质进行研究。结果表明制备的ZnO量子点为六方纤锌矿结构,形貌近似呈球形,尺寸均一性较好,粒径大约为4.0nm。2.考察制备条件如反应物浓度、反应温度及碱剂种类对ZnO量子点的尺寸及光学性质的影响。结果表明上述条件对ZnO量子点的尺寸及光学性质的均有一定影响,通过改变这些反应参数能很好的达到调节ZnO量子点尺寸和发射荧光颜色的目的。此外,通过紫外-可见吸收光谱对ZnO量子点在溶液中的生长机制进行了初步研究,实验结果表明ZnO量子点的生长有别于被广为接受的扩散控制的晶粒粗化生长(奥氏熟化)过程,而是一种在一定范围内分别表现为扩散控制和动力学控制的生长机制。3.在ZnO量子点的合成中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为包覆剂,与未包覆的ZnO量子点相比,PVP增强了样品的稳定性,获得了较好的单分散性。同时,PVP的用量对制备的ZnO量子点的尺寸及光致发光性质具有较大影响。4.另一种表面处理的方法是将所制得的ZnO量子点包覆在SiO2球里形成ZnO/SiO2纳米复合物。分析表明该复合物有效提高了ZnO量子点在水中的稳定性及分散性。5.通过在棉织物上生长ZnO纳米棒得到具有抗紫外性能的织物。该制备过程条件温和,包括三个步骤:浸涂ZnO量子点作为晶种,晶种层的重结晶以及ZnO纳米棒的水热生长。SEM结果显示ZnO纳米棒致密、均匀的覆着在棉织物上,纳米棒长度介于0.4-1.0um,直径大约为150-350nm。处理后的织物具有优异的紫外防护性能,UPF超过110。同时,对水热生长的时间和温度对ZnO纳米棒形貌及紫外防护性能的影响也进行了研究。
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