1、 1 毕业设计 开题报告 高分子材料与工程 高分子引导氧化锌形貌控制及光学性能和光催化性能研究 一、选题的背景、意义 纳米 ZnO与普通 ZnO相比，其独特的颜色效应、光催化作用及散射和吸收紫外线的能力，使其在汽车工业、防晒化妆品、废水处理、杀菌、环保、精细陶瓷、生物工程、图象记录材料等方面有着十分广泛的应用前景，被誉为面向 21世纪的现代功能材料，是一种在短波长光电器件、光催化剂、光电探测器、气敏器件、压敏电阻器件、染料敏化太阳能电池、生物传感器等领域非常有前景的新型材料。 由于结构、尺寸和形貌等因素对材料特性及其应用 具有的重要影响，因此为了提高这些器件的物理和化学方面的性能，控制合成氧化
2、锌的尺寸、形貌成为所需纳米结构或超级结构，进而对其性质进行裁剪和调整，已经成为研究的热点。如今，各种低维氧化锌纳米结构，如纳米线、纳米管、纳米带、纳米棒、纳米针、纳米片和纳米环等已经被很好的制备完成，然而三维氧化锌超结构只在最近才得到了部分的研究。特别是，控制低维纳米尺寸的结构自组装成为所需的高级三维超结构，由此产生的新颖的电学、光学及其潜在应用，吸引了人们的广泛注意。运用添加少量有机物作为辅助剂的方法，已被广泛运用来制备所需 ZnO纳米 三维结构 1-5。 二、相关研究的最新成果及动态 在上世纪八十年代，人们对纳米材料的研究主要集中在纳米晶粒和纳米薄膜的制备及其性质研究中，并且在这个方面取得
3、了巨大进展。 1991年 1月，日本筑波 NEC实验室的饭岛首次用高分辨电镜观察到了碳纳米管 6。在碳纳米管合成的推动下，人们开始把注意力逐渐转移到准一维纳米材料的制备上来。对 ZnO纳米薄膜、纳米晶粒的广泛关注，来自于 1997年 Z.K. Tang7等人关于ZnO薄膜的光泵浦近紫外受激发射的报道。在此基础上， 2001年， Huang等人在 Science上 报道了限定区域高取向 ZnO纳米线的生长 8，同年， Wang等人报道了氧化锌半导体超长纳米带的合成 9。在之后的短短五年之中，许多其它形貌的 ZnO纳米结构和以准一维纳米结构为基础的 ZnO纳米组装体被成功地合成，形成了继碳纳米管之
4、后，最庞大的纳米材料 “家族 ”。 纳米 ZnO作为优异的半导体氧化物材料，同普通的 ZnO体材料相比，具有更大的比表面积，2 在力学、光学、电学和磁学等方面显示出许多新颖的特性，有很大的潜在应用价值。从结构上来说， Zn原子和 O原子沿着 c轴方向交替叠加使得 ZnO具有两个极性的面，即：带正电的 (0001)-Zn和带负电的 (0001)-O面，此外， ZnO还具有三个快速生长的方向，不同的面生长速度不同。当今利用 ZnO独特的晶体结构和三个主要的最快的生长方向多种 ZnO纳米结构已经被合成了，例如纳米线、纳米棒、纳米带、纳米环、纳米螺旋等。而且由于其大量的表面形态 ZnO和当今熟悉的材料
5、相比，提供了更加丰富多样的纳米结构。目前， ZnO纳米结构的制备及其应用是研究的热点，许多研究小组通过各种方法已经制备出了各种各样的 ZnO纳米结构，例如纳米线、纳米带、纳米环、纳米梳、纳米棱柱、纳米孔阵列、纳米管及其一些复 杂的 ZnO纳米结构 12-17。 ZnO纳米结构在催化、气敏、储氢、场效应晶体管、紫外激光器、牛物荧光探针等领域具有重要的应用前景。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 3.1 课题的研究内容及拟采取的研究方法 3.1.1 氧化锌的制备 将 0.45g Zn(NO3)22H2O溶解于 70ml的水溶液中搅拌形成澄清的溶液，然后在上述溶
6、液中加入0.5g尿素， 1g聚乙二醇 (PEG， 4000)，然后将其转移至 100ml的水热釜中，在 180oC下水热处理 12h。室温冷却后， 收集白色沉淀，用去离子水和无水乙醇离心洗涤 3次后，在 80oC下干燥 8h。将一定量的上述粉末在 300oC下煅烧 2h。在这项实验中的所有化学药品都是分析纯的，使用时不需要进一步的纯化。 3.1.2 氧化锌的 表征 制备的样品采用 DX-2600型 X射线粉末衍射仪（铜靶， = 1.5406）进行表征。 在PHI-5300/ESCA系统上进行 X射线光电子能谱测量。采用 Hitachi S-4800型扫描电子显微镜（ SEM）进行形貌和结构表征
7、。 TG-DSC分析在德国耐驰 NETZSCH STA 449C综合热分析仪上测定， 升温速度为 10oC min，测量范围为 30-700oC，测量气氛为氮气。 采用 日立 F 4500型荧光分光光度计在室温下测定样品的光致发光（ PL）谱（以氙灯作为激发光源）。用岛津紫外可见分光光度计（ UV 2550）测定样品的光催化性能。 首先配制不同浓度的罗丹明 B(RhB)染料溶液，对这些溶液进行紫外一可见光谱扫描，确定罗丹明 B的最大吸收波长，然后用一定浓度的 RhB溶液模拟有机污染物废水，在控制一定的实验条件下进行光催化降解实验。 3 3.2 难点 反应温度对产物结构的形成有很大的影响，因此反
8、应时要对反应温 度进行严格地控制 。 3.3 预期达到的目标 采用高分子 PEG作为形貌调控剂，选用硝酸锌为原料，在尿素存在的条件下，水热制备出纳米片状分等级组装 Zn5(CO3)2(OH)6，并进一步在 300oC下煅烧制备多孔纳米片状分等级组装 ZnO，并了解这种结构的光催化性能。 四、论文详细工作进度和安排 2010 年 11 月 18 日 2010 年 12 月 31 日 完成毕业论文过程材料（文献综述、开题报告、外文翻译） 2011 年 1 月 1 日 2010 年 4 月 9 日 样品的制备工作 2011 年 4 月 10 日 2011 年 4 月 30 日 结果表征及讨论 201
9、1 年 5 月 1 日 2011 年 5 月 18 日 整理毕业论文 2011 年 5 月 19 日 毕业论文答辩 准备毕业论文答辩材料 五、主要参考文献 1X.F. Zhou, S.Y. Chen, D.Y. Zhang, X.F. Guo, W.P. Ding, Y. Chen. Microsphere organization of nanorods directed by PEG linear polymerJ. Langmuir, 2006, 22(4), 1383-1387. 2P. Bai, P.P. Wu, Z.F. Yan, J.K. Zhou, X.S. Zhao.Self
10、-assembly of clewlike ZnO superstructures in the presence of copolymerJ. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111, 9729-9733 3J.G. Yu, C. Li, S.W. Liu. Effect of PSS on morphology and optical properties of ZnOJ. Journal of Colloid and Interface Science, 2008, 326, 433-438. 4W.X. Zhang, K. Yanagisa
11、wa. Hydrothermal synthesis of zinc hydroxide chloride sheets and their conversion to ZnOJ. Chemistry of Materials, 2007, 19, 2329-2334. 5X.Y. Zeng, J.L. Yuan, L. Zhang. Synthesis and photoluminescent properties of rare earth doped ZnO hierarchical microspheresJ. Journal of Physical Chemistry C, 2008
12、, 112, 3503-3508. 6S. Iijima. Helical Microtubules of Graphitic CarbonJ. Nature, 1991, 354, 56-58 7P. Zu, Z.K. Tang, G.K.L. Wong, et a1. Ultraviolet spontaneous and stimulated emissions from ZnO microcrystallite thin films at room temperatureJ. Solid State Communications, 1997, 103, 459- 463. 8M.H.
13、Huang, S. Mao, H. Feick, et a1. Room-Temperature Ultraviolet Nanowire NanolasersJ. 4 Science, 2001, 292, 1897-1899. 9Z.W. Pan, Z.R. Dai, Z.L. Wang. Nanobelts of Semiconducting OxidesJ. Science, 2001, 291, 1947-1949. 10魏绍东等 . 纳米氧化锌制备技术与工业生产 J. 化工科技市场 , 2006, 29, 46. 11邵金璐 , 卢秀萍 . 纳米氧化锌的应用研究进展 J. 浙江化工 , 2005, 36,21-24. 12刘长友 . ZnO花束状晶须及纳米棒的制备与形貌控制 . 西北工业大学硕士学位论文 , 陕西 , 西北工业大学材料学院 , 2005. 13支华军 , 贺英 . 纳米 ZnO的光催化和光致发光性能 . 材料导报 , 2004, 18, 47-49. 14巩锋 , 藏竞存 , 杨敏飞 . 半导体 ZnO晶体生长及其性能研究进展 . 材料导报 , 2003, 2, 35-37. 15董国义 , 韦志仁 , 林岩等 . 水热法合成氧化锌晶体 . 人工晶体学 报 , 2003, 32, 130-133.
