离子液体中氧化锌和氧化铜低维纳米材料的合成、形貌、形成机理及性质研究
氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带直接带隙(Eg=3.37eV)半导体材料，激子束缚能高达60 meV，具有优异的压电和光电性能。自从1991年Science报道了一维ZnO纳米线可作为潜在的最小的激光光源以来，氧化锌低维纳米材料的研究倍受关注。
首先，我们选取了三种具有相同四氟硼酸根阴离子的离子液体，着重讨论阳离子结构对产物形貌的影响。实验结果表明，离子液体的存在对低维氧化锌纳米结构的形成起到至关重要的作用。特别是咪唑环2位上的氢原子和ZnO中的氧原子之间形成的氢键，可以作为一种有效的“桥梁”将离子液体和氧化锌晶核的以O<'2->为端点的晶面相连，使得以Zn<'2+>为端点的(0001)晶面的优先生长得以实现，对氧化锌一维纳米结构的形成起到至关重要的作用。我们同时考察了离子液体1-位取代基的链长对氧化锌一维纳米结构的影响，发现当取代基的链长增加时，纳米棒的直径和长度由于烷烃侧链的空间位阻效应反而减小。基于以上反应机理，我们进一步研究，改变离子液体的结构，使氢键不再形成，或者改变氢键作用，氧化锌一维纳米结构是否还能形成。实验结果表明，当咪唑基离子液体2．位上的氢原子被甲基取代后，无论如何改变反应条件，都无法得到一维氧化锌的纳米结构，只能得到氧化锌纳米颗粒，进一步证实了氢键在1D氧化锌纳米结构形成中的重要作用。关于氧化锌在不同离子液体的形成机理对氧化锌纳米结构形貌的控制及其重要，这是关于离子液体的结构与纳米氧化锌形貌之间的关系的首次系统性的研究。
其次，我们对所得样品的光致发光性质进行了研究，结果表明，离子液体中合成的低维氧化锌纳米结构均表现出独特的强而宽的绿光发光信号，该发射峰属深能级发射，与结构缺陷有关。并且，氧化锌纳米颗粒越细，纳米线的直径越小，长度越大，绿光发光信号越强。基于所得氧化锌纳米结构具有上述高的缺陷密度的性质，将样品对有机染料罗丹明B溶液进行光催化降解。结果表明，经不同时间紫外光照降解后，离子液体中合成的纳米氧化锌能有效完成对有机染料罗丹明B的光降解。特别是均匀的氧化锌纳米粒子与纳米线表现出对罗丹明B高的光催化降解活性。此外，我们还对光降解罗丹明B的反应动力学进行了研究，发现ln(C<,0>/C)对时间t呈线性关系，说明在该催化剂作用下罗丹明B溶液的光降解过程符合一级动力学方程式：ln(C<,0>/C=Kt，并测得该反应的表观降解速率常数。再次，我们选取了三种以卤族元素为阴离子的离子液体，研究了阴离子的结构对产物形貌的影响。结果表明，离子液体的存在对低维氧化锌纳米结构的形成起到至关重要的作用。尽管离子液体的阴离子也许并未直接参与一维氧化锌纳米结构的形成，然而，由于离子液体的阴离子的不同直接影响到其物理性质的不同，如熔点和粘度，从而间接地影响到粒子在其中的反应速率与迁移速率，造成形成均匀的一维氧化锌纳米线的最佳合成条件的不同。在离子液体[BMIM]Cl中，均匀的一维氧化锌纳米棒可以在氢氧化钠和醋酸锌的物质的量之比为4：1时反应温度为50℃的条件下得到，然而，在[BMIM]Br中，在同样的反应物的物质的量之比的情况下，温度不得不提高到80℃。在[EMIM]Br中，上述反应物的物质的量之比需要提高到6：1，温度需提高到100℃。同时，在纳米氧化锌的合成过程中，氢氧化钠的浓度、反应温度等条件也对产物的形貌有重要的影响。同样，在卤素为阴离子的离子液体中合成的氧化锌纳米结构也具有绿光发光性质，同时表现出与形貌尺寸密切相关的光催化降解活性。分散均匀的低长径比的氧化锌纳米结构表现出对有机染料罗丹明B高的光催化活性。
最后，以离子液体为介质，合成了氧化铜纳米粒子和纳米棒，氧化铜纳米粒子的BET比表面积和孔体积都大于氧化铜纳米棒，表现出较高的催化氧化一氧化碳的性质。
纳米材料;氧化锌;氧化铜;纳米结构;光致发光;光催化
南开大学
博士
无机化学
郑文君
2007
中文
TB383
165
2007-12-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）