创新杯研究报告-杜凯

序号：20120605 Array编码：

南京邮电大学第十四届“创新杯”

大学生课外学术科技作品竞赛

作品研究报告

作品名称：管状纳米ZnO及其复合材料的自然光降解研究院（系）全称：材料科学与工程学院

申报者姓名

（集体名称）：杜凯张翔吴家根陈立建

类别：

□自然科学类学术论文

□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

√科技发明制作A类

□科技发明制作B类

说明

1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。

2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表(集体项目限报四人，三人以上作者或者三人作者但无法区分主作者时须申报集体项目)，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。

3．表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。

4．序号、编码按照南京邮电大学第十四届“创新杯”大学生课外学术科技作品竞赛组委会要求请由院系统一填写。

5．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，学术论文及有关材料在8000字以内，社会调查报告在15000字以内（文章版面尺寸14.5×22cm左右）。

6．作品申报需按要求由各院系统一报送。

7．所有参赛作品必须按规定时间报送。

8．有关参赛事宜请向组委会办公室咨询。

9．报送地址：大学生活动中心校团委216办公室

联系人：凌海峰

联系电话：85866318

10．本表复印有效。

作品研究报告

管状纳米ZnO及其复合材料的自然光降解

杜凯张翔吴家根陈立建简介

近年来，Ⅱ-Ⅵ族宽带隙半导体材料氧化锌（ZnO）引起了材料学界的广泛关注。ZnO以其良好的特性以及可控的生长，使得ZnO纳米结构可以与金属、金属氧化物、金属硫化物、无机物以及有机物等进行复合，并应用于光催化、太阳能电池、激光、气体传感、生物传感等方面[1-9]。但这些基于ZnO的复合材料也存在一定的问题，如电子迁移率不够高，电子-空穴分离效率不够大等，使得ZnO复合材料的器件性能有待进一步提高。

本课题通过研究金属氧化物与ZnO复合，形成管状纳米ZnO复合材料，从而提高ZnO纳米复合材料的光谱吸收范围，增大电子-空穴对分离效率，进一步拓展其在光催化降解水污染物领域的应用。

第一部分管状ZnO纳米材料的制备及其自然光降解

创新点：

1.先用简单的水热法合成棒状结构的ZnO，再用碱液腐蚀法将棒状ZnO腐蚀成管状，此种制备方法简单、廉价，还可以批量制备；

2.发现管状ZnO比棒状ZnO具有更好的自然光降解效果。

一、实验部分

1.实验仪器：

F-101S集热式恒温加热磁力搅拌器、可编程直流电源、KH-300E型超声波清

洗器、DHG-9070型电热恒温鼓风干燥箱、RW-UV cop310-05yb、紫外-可见分光光度计、扫描电子显微镜SEM、X射线衍射仪。

2.管状ZnO纳米材料的制备

（1）在普通玻璃衬底上面生长棒状ZnO

首先将玻璃衬底进行清洗，方法是：分别用丙酮、酒精棉球仔细擦拭玻璃表面，随后分别用酒精、去离子水对其超声清洗15min。随后将衬底垂直放入装有50ml 配好氯化锌溶液的玻璃瓶中，最后置于95℃烘箱内约3h，之后取出片子用去离子水冲洗，最后烘干。

（2）用KOH溶液腐蚀（1）中样品成管状ZnO

配置浓度为0.36M的KOH溶液，取60ml该溶液，并将（1）中样品放入其中，在40℃条件下腐蚀4h后冲洗、烘干即得管状纳米ZnO。

3.光催化降解实验

在培养皿中配制20ml浓度为5mg/L的甲基橙溶液，并放入5片（2.5×1.8cm）上述样品，在暗箱中静置30min，然后放在太阳光下进行光催化降解反应，取样时间分别为0h、1h、2h、3h。

二、结果与讨论

1. 样品图片以及其形貌和结构

实验中，不断调节KOH溶液的浓度、片子放置位置（距离液面距离）、反应温度及时间，观察处理后的ZnO纳米材料。结果发现，相同条件下制备的纯ZnO在60ml的0.36 mol/L的KOH溶液中，在液面下1cm处、400C条件下腐蚀4h，所制得的样品最好，其外貌较为平整、均匀，且在经过催化降解实验后样品仍然较为完整，所制备的样品图片如图1。

图1：分别为纯ZnO、碱液腐蚀2h、3h、4h管状ZnO照片。

图2是管状纳米ZnO样品的SEM图。对比这几个图，我们可以看出采用碱液腐蚀法腐蚀4h制备的管状纳米ZnO样品（a图）最好，片子中管状占绝大部分，当然，其中也有少部分棒状；腐蚀1h效果（d图）最差，不过也可以看出棒状结构已经开始由外向内腐蚀。腐蚀2h（c图）时管状结构已经比较明显，不过数量还不太多，且分布不均匀。对比（a）和（b）图，我们还发现（a）中管状ZnO管壁比（b）的薄，据此我们也可以推断，随着腐蚀时间的增加，管状ZnO最后会“烂掉”，即并非腐蚀时间越长效果越好，而是存在一个最佳腐蚀时间，而这个最佳腐蚀时间就是4h。因为管状ZnO比棒状ZnO具有更大的比表面积，与液体的接触面更大，因而可以增加对染料分子的吸附，从而使其催化效果优于棒状ZnO。

图2：碱液腐蚀法制备的ZnO 纳米材料的扫描电镜图，（a ）碱液腐蚀4h ；（b ）碱液腐蚀3h ；（c ）碱液腐蚀2h ；（d ）碱液腐蚀1h

图3是管状ZnO 纳米材料的X 射线衍射图谱（XRD ）,图中用数字注明有ZnO 的典型特征峰，除此之外无杂峰，可知制备的样品纯度很高，且从中可以看出样品呈现典型的纤锌矿结构。

204060

80

(103)

(110)

(102)

(101)

(002)

(100)

I n t e n s i t y

2 Theta(degree)

图3：管状ZnO 的XRD 图谱

2.样品对染料的催化降解效果

在实验中，分别用水热法制备的棒状ZnO 以及水热—碱液腐蚀法制备的管状ZnO 做了催化降解甲基橙溶液对比试验，并每隔1h 取样测试。结果发现管状ZnO