合成1 d, 2 d和3 d氧化锌多晶纳米结构采用溶胶-凝胶法

文摘

本研究采用不同的多元醇溶剂合成氧化锌多晶纳米结构纤维的形式(1 d)菱形片(2 d)和球体(3 d)。合成过程主要涉及到使用多元醇二水醋酸锌的解决方案,它被用来推导锌醇盐的前体。水解后在160°C,醇盐锌颗粒自组装成多晶纳米结构具有不同的形态。在500°C 1 h,煅烧后多晶氧化锌具有良好的结晶度。FE-SEM探索表面形态的变化;利用XRD分析产品的结晶结构和结晶度,被确认为氧化锌纤锌矿型结构。FE-TEM验证的氧化锌纳米结构是多晶。此外,我们采用TGA / DSC相变观察。根据属性分析的结果,我们提出的模型相关的形成机制。最后,各种氧化锌结构应用亚甲蓝的降解来比较它们的光催化效率。

1。介绍

近年来,氧化锌(氧化锌)已经成为许多研究的主题由于其优秀的属性作为族化合物半导体(1,2]。在室温下,它具有广泛的直接带隙(3.37 eV)以及激子结合能高约60兆电子伏(3]。相比之下,自由激子结合能GaN只有26兆电子伏。大激子结合能提高室温下激子发光效率(4),该机制可以应用在光电转换组件,太阳能电池,紫外激光、压电、热电材料,纳米催化剂,气体传感器。此外,氧化锌具有较高的热稳定性和紫外吸收但不吸收可见光,使其在透明导电组件使用。二氧化钛、氧化锌也是一种有效的光催化剂。

在nanodevices氧化锌纳米结构的应用在过去的几年里吸引了相当大的关注,导致了各种形式的合成研究。例如,许多研究已经进行了圆柱,线性,管状形式的一维合成(5- - - - - -9];研究二维纳米结构是相对罕见10- - - - - -13];更复杂的三维纳米结构由低维的纳米结构(14,15]。

目前,有很多方法来制备氧化锌纳米结构和微观结构。氧化锌蒸气(16)涉及放置金属锌粉成坩埚炉加热;419.53°C,粉融化成液态蒸发之前锌蒸气。介绍了氧与锌蒸汽反应并形成针状氧化锌晶体的胡须。化学汽相淀积(CVD) (17)是另一种方法,利用能源,如热、等离子体放电,或紫外线照射,使化学反应的蒸汽加热固体表面上的物质,在稳定的固体沉积反应的产品。vapor-liquid-solid方法(VLS) (18,19)是最常见的氧化锌纳米结构的制造过程。需要高温蒸发或分解氧化锌增长来源;催化剂和由此产生的锌蒸汽然后产生低熔点的合金。前从过饱和合金锌沉淀与大气中的氧气合并形成氧化锌纳米线。的氧化锌纳米线通过VLS法通常是单晶的合成,这是由粒子的直径大小的催化剂。最后,基于模板的方法(20.)使用方法如电镀、化学汽相淀积和溶胶-凝胶法生长所需的物质的孔多孔氧化铝衬底,生长模板。这种方法得到的氧化锌纳米结构是多晶。

无论单晶或多晶的结果,大多数方法需要高温或高成本生产氧化锌结构。本研究提出了一种低成本的溶胶-凝胶方法制造各种形式的氧化锌的结构。这部小说过程快,可以在较低的温度下完成。此外,纤维结构氧化锌的光催化效果产生了以乙二醇为溶剂是优于商业氧化锌。

2。实验方法

2.1。合成

所有使用的化学品在这项研究中均为分析纯,不需要进一步净化。本研究采用三醇类溶剂在溶胶-凝胶方法制造各种氧化锌纳米结构:乙二醇(EG)、甘油(G)和二甘醇(度)。结构、物理和光学性能的氧化锌产品产生的三种溶剂进行了比较。

合成是分为三个过程:解决方案准备,加热促进水解,和热处理的产品。

合成所涉及的步骤如下。(1)二水醋酸锌的0.1米(锌(CH₃首席运营官)₂·2 h₂O)被放置在一个250毫升圆底烧瓶。(2)100毫升的溶剂(如G,或者度)添加到瓶。(3)圆底烧瓶配备了回流装置,放置在油浴,解决方法是加热和搅拌。(4)解决方法是加热1°C /分钟的速度。当温度接近160°C,清晰的解决方案变成了乳白色。溶液的温度保持在160°C的1 h。(5)乳白色的解决方案是滴到硅基质和干在160°C,热板形成一个样本类型。其他样品类型,解决方案是放置在一个高温炉,加热到500°C的速度在大气条件下5°C /分钟。温度保持为1 h,样品取出后其温度冷却到室温。

实验过程如图1。

2.2。属性分析

场发射扫描电子显微镜(FE-SEM JEOL JSM7500F)进行样品干在160°C和示例教廷在500°C探索他们的表面形态。高分辨率X射线衍射(HR-XRD,飞利浦X 'PERT Pro MPD)来分析样品的结构特性,以及在合成过程中相变同时观察用热重分析仪和差示扫描量热计(TGA / DSC, TA Instruments-SDT 2960)。场发射透射电子显微镜(FE-TEM JEOL jem - 2100 f)被用来观察外观和晶体结构。

2.3。光催化活性测试

三种不同形态的合成氧化锌与商业氧化锌相比。样本被放置在亚甲蓝解决方案和暴露于UV-C光了一个小时。吸收值样本,使用紫外可见光谱测量每20分钟(JASCO v - 630)。

3所示。结果与讨论

3.1。表面形态

从FE-SEM观察,本研究确定的应用醋酸锌二水合物作为溶质结合如G,度作为溶剂在溶胶-凝胶反应使氧化锌的形成不同的形态。图2介绍了各种类型的氧化锌,可以获得与不同的多元醇ZnAc和热治疗。使用如G,度随着溶剂导致纤维结构(数据2(a1)和2(a2))、片状结构(数据2(b1)和2(b2)),球形结构(数据2(c1)和2分别(c2))。所有的样品在凝胶合成解决方案160°C,然后干在160°C热板提供了一个平滑的微观形态学(数字2(a1),2(b1),2(c1))。空气中的样本教廷在500°C形状保持不变,但表现出粗糙表面用额外的孔和裂缝(数字2(a2),2(b2),2(c2)),这是由于更大的醇盐锌粒子的转换成较小的氧化锌晶体。

3.2。结构特性

图3显示了x射线衍射图的三种类型的锌化合物干在160°C,教廷在500°C。样品的图干在160°C与JCPDS文件相比,没有发现文件是相同的氧化锌片和纤维。在文献中没有发现类似的图表。我们推测,这两个XRD图符合锌醇盐的晶体结构。干在160°C的球形结构符合氧化锌结构,如图3(a)。这表明使用度作为溶剂可以水解ZnAc氧化锌在较低的温度。关于这三个样本教廷在500°C, XRD图被认为相同的JCPDS 36 - 1451号的文件,即纤锌矿结构(图3(b))。

(一)

(b)

图4显示了外观和晶体结构的锌化合物FE-TEM观察到。图4(a1)显示了氧化锌在160°C纤维合成;图4(a2)是一个局部放大图4(a1)。图4(a3)是选定区电子衍射(SAED)图的氧化锌纤维;一些晶体,推测为氧化锌纤维结构,已经很明显了。图4(b1)是一种形象的氧化锌纤维教廷在500°C;图4(b2)是一个局部放大图4(b1)。图4(b3)展品SAED图段烧后,在图显示优越的结晶度4(a3)。数据5(a1)和5(a2)的SAED图合成氧化锌片在160°C,和数字5(b1)和5(b2)是教廷的SAED图氧化锌片。数据4和5证明洞和裂缝数量的增加,当锌醇盐变成在煅烧氧化锌。此外,结晶度提高,和多晶结构形式,这与XDR图表。

三种不同形态的氧化锌的前体的解决方案被TGA / DSC进一步分析探讨影响热处理的样品。图6介绍了TGA / DSC分析的结果。每个样本都表现出明显的吸热峰,后跟一个显著损失重量在较低的温度下152.11°C, 230.18°C,分别和194.66°C。吸热峰和减肥主要是由蒸发引起的醇溶液中,留下锌醇盐。此外,三种不同的氧化锌表面形态显示放热峰值为306.31°C, 365.51°C,和285.81°C,分别指示所需的锌醇盐和能量热解烧结到氧化锌。见图6、球形结构需要最少的能源转化成氧化锌,从而解释了为什么形成氧化锌晶体结构的球形样品能够以更低的温度。

(一)纤维

(b)片

(c)领域

3.3。形成机制

由于加热,溶液中的ZnAc经历醋酸水解形成离子和锌离子。氧原子与丰富的电子,酒精分子的羟基组(-哦)债券与锌离子。所得的醇盐如所示(1)- (3)。图7介绍了焊接过程对于氧化锌纤维结构,表结构和球形结构。当使用如作为溶剂,双方的锌离子和氧离子形成离子键,链接到更多的离子,形成长联结构(图7(一))。

(一)

(b)

(c)

与G作为溶剂,甘油有三个羟基能与锌离子反应。因为锌离子的电子排布是[阿拉伯文]3 d¹⁰,4 s和4 p合并成一个空sp³轨道,进而形成共价键配合烷氧基组氧离子产生的甘油。条件下可以以最小的三维坐标共价键的形成障碍,模拟显示生成的表结构(图中展出7 (b))。

反应原理的情况下以度为溶剂与甘油类似。由于分子结构越久度和考虑到条件允许以最小的三维坐标共价键的形成障碍,更有可能(图3 d结构7 (c))。这些3 d结构形成球形胶体颗粒,进一步集群为较大的球形结构。如图中观察到的微观图像2球形结构实际上是集群规模较小的球形结构:

3.4。光催化活性测试

4毫升的5 ppm亚甲蓝溶液分别添加到0.1 g的三种类型的氧化锌和商业氧化锌,紧随其后的是与254 nm紫外线照射。氧化锌纤维作为催化剂的降解率最高(图8);10分钟后,亚甲蓝的浓度降低了50%。亚甲蓝浓度的解决方案添加到氧化锌床单,氧化锌球,和商业氧化锌仍大约90%。降解率从最高到最低的氧化锌纤维>商业氧化锌氧化锌表> >氧化锌球体。

4所示。结论

本研究采用溶胶-凝胶方法合成氧化锌多晶纳米结构使用ZnAc作为溶质和各种多元醇作为溶剂(例如,G,度)。锌不同形态的醇盐晶体被成功制造在160°C。例如,G,度溶剂合成改性纳米结构,菱形片,分别和球形粒子。样品的表面形态干在160°C是光滑的。相比之下,教廷的样品在500°C在空气中获得足够的能量,使锌醇盐和烧结的热解成较小的氧化锌分子。因此,出现了相当数量的裂缝和孔洞,,然而,没有影响整体形态。XRD图和FE-TEM图像相互验证煅烧后结晶度的增加以及氧化锌的多晶结构。相关的结果,我们提出的模型考虑离子键形成机制和三维的障碍。一种光催化剂活性试验进行合成产品和商业氧化锌。结果表明,氧化锌纤维的催化效果是最有效的。

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