ZnO量子点的合成及其性能研究

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近年来量子点半导体材料在诸多领域应用广泛而备受研究者的关注。而ZnO量子点作为宽带隙(3.3 eV)、高激子结合能(60 meV)的n型半导体材料,由于其低毒、低成本、高氧化还原电位、光学性质可调节和绿色环保等特性,在磁、光、电等方面具备了很多常规材料所不具备的优异性能,使得ZnO在许多领域备受关注,应用前景广阔。本论文利用溶胶-凝胶法合成ZnO量子点,研究其在可见光区荧光性能和对有机染料的光催化降解性能,主要内容如下:以乙酸锌为原料,采用溶胶-凝胶法制备了ZnO量子点,通过改变反应温度、反应时间以及体系中Zn(AC)2/LiOH摩尔比,研究了制备条件对ZnO量子点荧光性能的影响;采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、透射电子显微镜(TEM)、荧光发射光谱(PL)对制备的ZnO量子点的晶体结构、表面官能团、形貌以及荧光性能进行了表征;同时还利用紫外-可见分光光度计测定了ZnO量子点光催化降解罗丹明B溶液的光催化效率。结果表明:60℃下水浴反应4 h,Zn(AC)2/LiOH摩尔比为1/2的条件下制备的ZnO量子点的荧光强度最大,结构为近似球形的典型六方纤锌矿;表现出一定的团聚现象,其粒径约为5.26 nm,表面含有大量的亲水基团;此外该条件下制备的ZnO量子点的光催化性能最好,降解速率最快;通过不同捕捉剂对ZnO量子点光催化性能的影响实验可知:ZnO量子点降解罗丹明B溶液中空穴起的催化作用最大,超氧自由基起到的光催化作用较小。分别利用乙二胺、聚乙二醇-2000、油酸对ZnO量子点进行表面修饰,同时还分别制备了以Mg2+、Eu3+为掺杂剂的ZnO量子点,采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(IR)、透射电子显微镜(TEM)、荧光发射光谱(PL)对样品进行表征。研究表明ZnO量子点经乙二胺、油酸和聚乙二醇-2000修饰后荧光强度明显增强,且在40 ml ZnO量子点乙醇溶液中最佳加入量分别为120μl乙二胺、140μl油酸和15%的PEG;Mg2+、Eu3+掺杂的ZnO量子点荧光性能也增强了,其最佳掺杂量均为15%;且经过改性后的ZnO量子点的晶体结构并未发生畸变,Eu3+掺杂的ZnO量子点减弱了Zn-O键,以Eu-O-Zn键存在于量子点结构中;而Mg2+掺杂的ZnO量子点中存在Mg-O-Zn键,量子点粒度分布相对均匀,形状不规则,且团聚现象减少,其平均粒径约为4.89 nm;光催化实验表明,Mg2+的掺杂提高了ZnO量子点的光催化性能,而经PEG修饰后ZnO量子点的光催化性能反而降低。以L-谷氨酸为碳源,分别采用热解法和水热法制备了水溶性碳量子点,探究合成条件对其性能影响;将碳量子点加入到ZnO量子点降解亚甲基蓝实验中,探究其对ZnO量子点光催化降解亚甲基蓝产生的影响。研究结果表明:热解法和水热法制备的碳量子点均为无定型碳结构,其表面含有大量的亲水基团,如—OH、—NH2等;热解法在200℃条件下保温4 h时制备的碳量子的荧光性能最好,而水热法在温度为200℃的条件下反应6 h其荧光强度最大;光催化实验表明,适量的碳量子点能够增强ZnO量子点的光催化性能,在0.06 g ZnO量子点光催化降解50mL 10 mg·L-1的亚甲基蓝中,加入6 ml碳量子,其光催化降解亚甲基蓝的效率最好,降解率提高到96.75%,但过量反而会降低其光催化性能。
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