ZnO等过渡金属氧化物纳米粒子的制备及光催化性质研究(2)
3.3.1 各种表面活性剂所制得的ZnO纳米粒子的粒径及形貌 36
3.3.2各种表面活性剂所制得的ZnO纳米粒子的光催化活性 46
结论 50
致谢 52
参考文献 54
1 绪论
纳米材料自诞生以来所取得的巨大成就及对科学和社会各个领域的影响及渗透一直引人注目，主要原因之一是因为它具有奇异的性能［1,2］。其中半导体纳米材料是指三文空间中至少有一文处于纳米尺度或由它们作为基本单元构成的半导体材料。半导体纳米材料既具有纳米微粒的特性(如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等)，又具有半导体材料的特殊性质，从而表现出独特的电子学、光学、磁学和催化性质，使它们成为高效纳米器件和构建功能化纳米结构的理想材料。
纳米ZnO是一种典型的宽带隙半导体纳米材料，在气体传感器、压电材料、荧光体、图像记录材料、磁性材料、光催化剂等方面具有很大的应用前景[3]，吸引了大量人员投入其研究与发展。因此，其制备和性能的研究已成为近年来材料科学界研究的热点。
1.1 ZnO概述
ZnO俗称锌白或白铅粉，为白色、淡黄色粉末或吹冰方结晶，相对密度为5．67 g／cm。，难溶于水，可溶于酸和强碱。ZnO是重要的II—VI族半导体氧化物，属宽能隙直接带材料[4]。
ZnO具有吹冰方纤锌矿、立方闪锌矿和非常罕见的NaC1式八面体3种结构[5]。闪锌矿结构只是作为过渡相存在，吹冰方纤锌矿的稳定性最高，最为常见。吹冰方纤锌矿所属空间群为P63mc，其结构如图1.1所示，具有吹冰方对称性，Zn原子和O原子各自组成一个吹冰方密堆积结构的子格子，这两个子格子沿c轴平移0.385 nm，c套构形成纤锌矿结构[6]。每个Zn原子与它最邻近的四个O原子构成一个四面体结构，同样的，每个O原子与它最邻近的四个Zn原子构成四面体结构。每个原子周围都不是严格四面体对称的,在C轴方向上，Zn原子与0原子之间的距离为O .196 nm，在其它三个方向上为0. 198 nm，c轴方向的最近邻原子间的间距要比与其它三个原子之间的间距稍微小一些。因此ZnO晶体是一种极性半导体[7]。(0001)面和(000-1)面分别为终止于Zn和O的两个不同极性面。由于两极性面所带的电荷不同，导致了不同晶面吸附生长基元的能力也不同，最终使得ZnO晶面的生长速率不同。ZnO不同晶面的生长速率如下所示[8]：
V(O001)>V(-101-1)>V(-1010)>V(-1011)>V(000-1)
图1.1 ZnO两种晶体结构
ZnO纤锌矿的晶格常数是a=3.2498 Å, b=c=5.2066 Å[6]。ZnO的纤锌矿结构相当于O原子构成简单吹冰方密堆积，Zn原子则填塞于半数的四面体隙中，但是半数四面体隙是空的。这种纤锌矿结构是相对开放的，所以外来掺杂物容易进入ZnO的晶格 [9]。
1.2 纳米ZnO的性质与应用
将ZnO制备成纳米粒子，其性能将会发生显著的变化[10]，其纳米尺寸效应主要体现在两个方面：(1)随着颗粒变小，禁带宽度增加，光谱结构发生变化和浅色位移．(2)小尺度颗粒中，电荷、声子和光子等载流子产生Anderson局域。纳米ZnO在室温下禁带宽为3．37eV，激子束缚能为60meV,光增益系数为300cm-1 [11，与块体材料相比，具有大的比表面积，强烈的紫外吸收和显著的量子限域效应、低阈值高效光电特性、紫外激光发射以及压电、焦电、光催化及载流子传输等方面的性质[11]。一文ZnO纳米结构在紫外探测器、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、场发射显示器、气敏和压敏器件传感器等方面有着巨大的应用潜力[12]。各种形貌的ZnO纳米粒子和薄膜都可应用于光催化降解有机污染物[13-15]。下面介绍一些纳米ZnO 现已经成功应用的领域。