掺杂氧化锌纳米粉体的合成及其性能研究

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掺杂ZnO可显著提高ZnO的电学、光学等特性,高掺杂浓度的ZnO粉体在电池屏蔽、导电和抗静电材料、光催化剂、太阳能电池等诸多领域具有广阔的应用前景。然而,已报到的掺杂ZnO粉体的掺杂浓度均较低,未超过10%。本文采用溶胶-凝胶燃烧法成功合成出高掺杂浓度(0-20mol%)的Ga掺杂ZnO(GZO)和Al掺杂ZnO(AZO)。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDX)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)表征了粉体的晶体结构、表面形貌、化学组成、晶粒大小/晶面间距等。结果表明:Ga、Al均成功掺杂进ZnO晶格,均形成ZnO纤锌矿结构,无Ga/Al杂峰出现。Ga/Al的出现可有效的抑制ZnO晶体的增长,当掺杂量达到20mol%时,GZO晶粒大小为5.7nm,AZO晶粒大小为6.4nm。利用紫外-可见-近红外分光光度计(UV-VIS-NIR spectroscopy)分析了样品在200~800nm波段的吸收光谱和200~2500nm波段的反射光谱。结果表明:所有样品在450~2500nm均具有高的反射率,有望应用于降温材料领域。由GZO/AZO的吸收光谱可推出GZO纳米粉体的禁带宽度范围为3.058~3.225eV,AZO纳米粉体的禁带宽度范围为3.l68~3.237eV。通过紫外灯(/太阳光)照射下粉体对甲基橙(MO)水溶液的吸附和降解作用,表征了GZO/AZO纳米粉体的光催化活性。结果表明:紫外灯和太阳光照射下,GZO纳米粉体的吸附和光催化活性均随Ga掺杂量的增加而增加;紫外灯照射下,当Al掺杂浓度在0-l5mol%H时,AZO纳米粉体的吸附和光催化活性随Al掺杂量的增加而增加,当掺杂浓度达到20mol%时,吸附和光催化能力和15mmol%的相近,不再进一步增加。加入纯ZnO和AZO之后,MS密封胶的分子量均有不同程度的降低,表明ZnO和AZO在紫外灯照射下对MS密封胶均有一定的光降解作用。其中,纯ZnO和AZO-10的光降解作用最强。添加纯ZnO和AZO之后,PE膜的透光率均有不同程度的降低,表明均有一定的降温效果。其中,AZO-5的透过率最低,说明其降温效果最好,有望应用于降温农膜中。
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