ZnO纳米线阵列的制备及其光电化学性能研究

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ZnO具有优异的光电、力学和热学性质,可广泛应用于太阳能电池、光催化降解有机物、透明晶体管和紫外发光以及探测器件上。而利用半导体光催化技术,在光照的条件下降解水中的有机污染物,已成为人类解决环境污染的有效途径。纳米ZnO成本低廉,形貌表现多样,吸附性能良好,具有较大的激子束缚能和较高的电子迁移率,制备过程中极易形成纳米线,是一种适合的、能够有效降解有机污染物的半导体光催化剂。但其本身在实际应用中还存在一些问题。对纳米ZnO进行改性,提高其量子效率,抑制载流子在的复合,扩展其光响应范围,增强其在可见甚至红外波段的吸收利用,这是提高纳米ZnO光电化学性能的主要途径,也是该领域的主要研究热点。本文通过电化学沉积的方法,沉积制备了ZnO纳米线结构。以SEM和XRD等表征手段,研究了电解液中杂质离子对纳米ZnO形貌的影响及其作用机理;尝试通过硫化和包覆的方法,对ZnO纳米线进行改性,并通过降解甲基橙试剂为表征,研究了ZnO的光电催化性能。首先用电化学沉积的方法,制备ZnO纳米线阵列。在电解液中加入不同浓度的Pb2+离子,表征结果证明,在纳米ZnO的制备过程中,电解液中痕量(10-6)的Pb2+不仅可以有效改善其取向,同时可以大量增加ZnO纳米线的密度,同时只会产生很少的缺陷;当Pb2+含量继续增多时,会在纳米ZnO中引入较多的杂质离子和缺陷,对其性能产生较大的影响;在电解液中加入15%浓度的Li+,由此制备的纳米ZnO出现大面积倒伏,且棒体粗细不均且表面遍布缺陷及绒状附着物;在电解液中分别加入不同浓度的Mg2+,由此制备出的ZnO纳米线形成花瓣状团簇,且花瓣中心呈二维的周期性排布。这种趋势随着Mg2+浓度的增加越来越明显。为了研究硫化对ZnO纳米线光催化性能的影响,将制备好的纯纳米ZnO在60°C的Na2S水溶液中,恒温反应0.5/1/2/3/5/10h,对硫化后ZnO纳米线的SEM和XRD图谱显示,硫化过程在ZnO纳米线上溶解产生了细纹和龟裂,随着硫化时间的增加,ZnO纳米线甚至发生断裂,暴露出新的晶面。分别以不同硫化时间的ZnO纳米线为催化剂,在氙灯的照射下(用以模拟自然光照条件),催化降解甲基橙溶液。结果证明,硫化后纳米ZnO的催化降解速率有所提升;在一定时间范围内,硫化时间越长,光催化性能越好。以制备出的ZnO纳米线为阴极,在其表面沉积Mg(OH)2;通过逐次化学浴法,在纯ZnO纳米线表面包覆PbS。通过XRD和SEM谱图,对制得的样品分别进行表征和分析。降解实验证明,沉积Mg(OH)2后,纳米ZnO的光催化性能有微弱提高;包覆PbS可以明显提高纳米ZnO的光催化性能,包覆次数越多,对其光催化性能的提高越明显。
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