一維ZnO-ZnS核-殼結(jié)構(gòu)與金屬硫化物納米管的制備、表征及應(yīng)用.pdf

1、微納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)與其成分、形狀和尺寸有著密切的關(guān)系。目前，對于微納米材料的可控制備、表征和應(yīng)用研究引起了材料、物理、化學(xué)等領(lǐng)域研究人員的廣泛興趣。近些年，由于核/殼結(jié)構(gòu)以及空心結(jié)構(gòu)具有特殊的結(jié)構(gòu)和獨特的性能，設(shè)計和可控制備核/殼結(jié)構(gòu)以及空心結(jié)構(gòu)材料在物理、化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域受到了人們廣泛的關(guān)注。核/殼結(jié)構(gòu)有利于改進(jìn)材料的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、催化等物理化學(xué)性能?？招募{米材料所具有特殊空心形狀、低密度、大的比表面積使其在太陽電池、催化

2、、氣體傳感器、光子晶體、納米化學(xué)反應(yīng)器、能量儲存介質(zhì)和藥物緩釋等領(lǐng)域顯示出更為優(yōu)越的性能。近幾十年來，各種各樣有著可調(diào)結(jié)構(gòu)、光學(xué)以及表面性能的核/殼結(jié)構(gòu)和空心結(jié)構(gòu)，包括貴金屬、氫氧化物、半導(dǎo)體、有機(jī)和無機(jī)材料已經(jīng)被成功地制備，尤其是半導(dǎo)體金屬硫化物核/殼納米棒和納米管結(jié)構(gòu)在科技領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用。本論文主要集中于探索合成一維半導(dǎo)體微納米材料的新方法和新結(jié)構(gòu)，并對所制備的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)表征、對其生長機(jī)理給予合理解釋；在應(yīng)用方面，對所制備

3、的ZnO/ZnS核/殼納米棒以及硫化物納米管的氣敏性能和光催化性能做了初步的研究。
　　迄今為止，在各種制備半導(dǎo)體核/殼納米棒以及納米管的方法中，模板法被證明是一種有效的合成方法，目前被廣泛應(yīng)用的模板包括碳納米管，無機(jī)-有機(jī)復(fù)合納米線和陽極氧化鋁模板。然而，模板法通常需要極其復(fù)雜的制備過程并且會增加生產(chǎn)成本。此外，去除模板也會增加制備過程的復(fù)雜程度并不可避免地會影響材料的純凈度。因此，發(fā)展一個簡單且廣泛適用的合成方法來實現(xiàn)各種化學(xué)

4、組分的半導(dǎo)體金屬硫化物納米棒以及納米管結(jié)構(gòu)是非常有必要的。事實上，化學(xué)轉(zhuǎn)化法和陽離子交換法已經(jīng)被證實為一種有效的方法來轉(zhuǎn)化納米結(jié)構(gòu)的化學(xué)組分而不破壞其原有的形貌。我們之前有關(guān)用化學(xué)轉(zhuǎn)化法制備核/殼結(jié)構(gòu)微米球(從ZnO/ZnS轉(zhuǎn)化為ZnO/Ag2S和ZnO/CuS)以及空球殼(從ZnS轉(zhuǎn)化為其他各種硫化物)結(jié)構(gòu)的報道已經(jīng)證實了化學(xué)轉(zhuǎn)化法和陽離子交換法的重要性。然而，目前通過一種通用低成本的方法實現(xiàn)從一種半導(dǎo)體金屬硫化物納米棒/納米管到其他

5、半導(dǎo)體金屬硫化物納米棒/納米管的轉(zhuǎn)換來擴(kuò)展它們潛在的應(yīng)用幾乎沒有被報道。
　　本文中，我們在低溫下通過水熱法成功地將 ZnO納米線轉(zhuǎn)化為ZnO/ZnS核/殼結(jié)構(gòu)納米棒以及ZnS納米管。通過對樣品的結(jié)構(gòu)、形貌以及光學(xué)性質(zhì)的系統(tǒng)研究，我們初步對其生長機(jī)理進(jìn)行了探討。ZnO/ZnS核/殼結(jié)構(gòu)納米棒以及ZnS納米管的形成機(jī)制分別歸因于硫化轉(zhuǎn)化和柯肯達(dá)爾效應(yīng)。此外，與ZnO納米線相比，ZnO/ZnS核/殼結(jié)構(gòu)納米棒的紫外發(fā)光強(qiáng)度得到了明顯的

6、增強(qiáng)，并且表現(xiàn)出更為優(yōu)越的氣敏性能。這兩個現(xiàn)象分別可以用鈍化的非輻射復(fù)合中心和提高的電導(dǎo)變化率來解釋。
　　接下來，我們在低溫90 ℃下通過化學(xué)轉(zhuǎn)化法和陽離子交換法實現(xiàn)從 ZnS納米管到 Sb2S3納米管的轉(zhuǎn)化。該方法的要點就是利用了ZnS和Sb2S3之間具有較大的溶度積的差別來實現(xiàn)ZnS納米管向Sb2S3納米管的有效轉(zhuǎn)化。經(jīng)過在氬氣氣氛中不同溫度的退火處理，我們觀察到了Sb2S3納米管結(jié)構(gòu)、形貌以及光學(xué)性質(zhì)的變化。我們還發(fā)現(xiàn)本方

7、法所制備的Sb2S3納米管由于有著較大的比表面積和良好的結(jié)晶度在可見光照射下降解甲基橙(MO)表現(xiàn)出很好的光催化性能。
　　我們還進(jìn)一步實現(xiàn)了從ZnS納米管到其他各種金屬硫化物(Ag2S, Cu2S, CuS, PbS和Bi2S3)納米管的轉(zhuǎn)化。要點就是利用了ZnS和其他金屬硫化物之間具有較大的溶度積的差別來實現(xiàn) ZnS納米管向其他金屬硫化物納米管的有效轉(zhuǎn)化。除了樣品的形貌在轉(zhuǎn)化前后保持完好之外，我們還證明了所制備的金屬硫化物納米