有關(guān)氧化鋅多級納米結(jié)構(gòu)的調(diào)控及電化學(xué)性能的研究

高 歌

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)學(xué)院（陜西省榆林農(nóng)業(yè)學(xué)校），陜西 榆林 719000）

1 氧化鋅納米材料的性能特點及應(yīng)用

1.1 氧化鋅納米材料的性能特點

光學(xué)性能：氧化鋅材料的光學(xué)性能，近年來有大量的研究者對其展開了深入研究。大部分學(xué)者認(rèn)為氧化鋅的光致光光譜（PL）可以分為兩個組成部分，其一是典型激光粒子發(fā)射或是近帶邊發(fā)射，其二是和存在缺陷或者是含有雜質(zhì)的可見光發(fā)射。因氧化鋅的比表面積較大，其表面的狀態(tài)發(fā)射變化時也容易對其光學(xué)性能造成影響。

電子傳輸性：就氧化鋅的電性能而言，目前依然存在主要的兩個爭議的，其一是形成n-型導(dǎo)電的原因，其二是p-型導(dǎo)電是否可能由于摻入了雜質(zhì)而形成。基于氧化鋅中存在本征或非本征的不足因素，氧化鋅晶體不同生長面的電性能也不盡相同。

冷發(fā)射性：又稱場發(fā)射，是納米材料相當(dāng)重要的一個性能特點，在微波、電子元器件方面有著很廣泛的用途。此外，基于氧化鋅納米材料的較高的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性，較低的功函和極佳的抗氧化能力等一系列特點[1]。它也被認(rèn)為是極有前景的半導(dǎo)體材料。

壓電性能：在某壓力實施到一個不是中心對稱的晶體之上的時候，晶體的內(nèi)部粒子會出現(xiàn)極化現(xiàn)象，從在壓力作用下而產(chǎn)生電勢，這就是壓電特性。形貌眾多的氧化鋅納米材料有很強的電耦合和很低的介電常數(shù)，具備了很好的壓電性能。

鐵磁性能：研究發(fā)現(xiàn)，在氧化鋅的離子里添加其他雜質(zhì)可以調(diào)控氧化鋅的磁性能。這也讓氧化鋅在自旋電子器件領(lǐng)域得到了高度的關(guān)注。

2 氧化鋅多級納米結(jié)構(gòu)的調(diào)控實驗

2.1 試驗材料和儀器

本次研究的材料有乙酸鋅、檸檬酸鈉、去離子水以及六次亞甲基四胺。所用的儀器包括X-射線衍射儀、紅外光譜儀、表面吸附儀、掃描顯微鏡和透射電子顯微鏡。

2.2 調(diào)控試驗

實驗主要包含兩個部分，一個是氧化鋅納米材料的合成，另一個是光催化實驗。

合成實驗的主要步驟是，量取相同摩爾比的六次亞甲基四胺和乙酸鋅各25毫升，將它們加入50毫升的去離子水里攪拌直至全部溶解。加入檸檬酸鈉后再攪拌15分鐘。完成以后把混合溶液倒入燒杯，并加入100毫升聚四氟乙烯。使其在九十度下水解。冷卻以后，采用離心法收集產(chǎn)物，將產(chǎn)物徹底清洗凈干燥。

光催化實驗則主要是通過亞甲基藍(lán)的光催化反應(yīng)來進(jìn)行測評。首先將實驗樣品放置在350攝氏度的煅燒爐中半小時，去除材料中的水分和雜質(zhì)。將亞甲基藍(lán)液體與粉末顆粒安裝1：4的比例混合[2]。使混合液在避光環(huán)境下充分混合并攪拌。完成用汞光光源進(jìn)行照射分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 檸檬酸鈉對氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的調(diào)控分析

實驗證明，如果其他的實驗條件不變，納米檸檬酸鈉的用量在樣品a-i中分別加入0.01 mmol/L、0.05mmol/L、0.3mmol/L、0.5mmol/L、1.0mmol/L、1.5mmol/L、3mmol/L、7mmol/L和10mmol/L。在檸檬酸濃度為0.05mmol/L的時候，得到的樣品是兩層六棱柱的形狀，呈現(xiàn)出最佳的光化活性。

在檸檬酸濃度為1.5mmol/L的時候，得到的樣品是表面多空的球形的，形狀規(guī)則均勻、呈現(xiàn)出很好的分散性。在檸檬酸濃度為10mmol/L的時候，得到的樣品是微小的光面球型。從測試結(jié)果來看，所有形貌都有一種截然不同的衍射圖譜。

檸檬酸鈉的濃度在對氧化鋅的形貌起到了決定性作用。在檸檬酸鈉和乙酸鋅完全溶解以后，檸檬酸根和鋅離子所形成的復(fù)合離子在酸性的條件下非常穩(wěn)定，但在堿性條件下則非常容易被分解。當(dāng)檸檬酸根的濃度相對較低的時候，檸檬酸根能夠充當(dāng)結(jié)構(gòu)調(diào)整試劑的作用吸附在氧化鋅晶核的極性面之上，從而形成低方向比率的雙層六棱柱的形態(tài)。當(dāng)檸檬酸根濃度中等的時候，檸檬酸根對結(jié)構(gòu)相貌的作用相對較復(fù)雜。例如使原子堆積的方式發(fā)生改變，使結(jié)晶顆粒分布成相互連接的網(wǎng)狀形態(tài)。當(dāng)溶液中檸檬酸根處于中等范圍，就易于形成表面多孔的球狀微粒，這種結(jié)構(gòu)即是多級納米材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)。當(dāng)檸檬酸根濃度較高的時候，沒有定型的檸檬酸根直接與游離的鋅離子發(fā)生了復(fù)合反應(yīng)，形成了無定型檸檬酸鋅復(fù)合材料。

3.2 氧化鋅多級納米材料的結(jié)構(gòu)特征和機(jī)理

通過TEM測試發(fā)現(xiàn)，微球的邊界處和中央?yún)^(qū)域有十分鮮明的明暗差別，映證了微球內(nèi)部結(jié)構(gòu)是空心的論點。通過高倍TEM圖像能夠發(fā)現(xiàn)，微球邊緣壁是以納米片積壓而形成的網(wǎng)狀的構(gòu)造，微球直徑一般在2～3微米之間，微球邊緣壁厚度大部分只有幾納米。

為了更好的驗證氧化鋅多級納米材料多級結(jié)構(gòu)的成型原理，本文還進(jìn)行了XRD測試和紅外光譜分析，結(jié)果都進(jìn)一步證實了氧化鋅多級納米微球的表層是由納米片堆積而來的網(wǎng)狀構(gòu)造。這些納米片是由于溶液中檸檬酸根離子和氫鍵連接發(fā)展而來的，然而再彼此連接成網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，粘附在微球的表層氧化鋅在溶液中形成晶核的前提條件是周圍濃度到達(dá)一定的飽和臨界數(shù)值。溶液中的OH-離子既能夠起到協(xié)同作用使球體內(nèi)部得到溶解，如此一來，微球內(nèi)部會逐漸變成空心，而球的外部表層的孔隙也因為溶解積淀增大，邊緣壁的厚度逐漸變小。

4 結(jié)語

本文將檸檬酸鈉作為調(diào)整氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的調(diào)整試劑，通過一步溶液法，對氧化鋅納米材料的調(diào)控展開研究。對拓展氧化鋅納米材料在導(dǎo)電體、電子元器件、激光發(fā)射器等先進(jìn)科創(chuàng)領(lǐng)域的深入應(yīng)用具有積極意義。經(jīng)分析得知，只要改變檸檬酸鈉的添加劑量，就可以使氧化鋅納米材料的外觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)三種完全不一樣的結(jié)構(gòu)，隨著濃度由低到高，三種形態(tài)分別可以是雙層六棱柱形狀、表面多孔的多級納米結(jié)構(gòu)的微球以及光面納米微球結(jié)構(gòu)。此外，氧化鋅的多級納米結(jié)構(gòu)微球是空心球，其球外層表面呈現(xiàn)出多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，試驗證明是由氧化鋅多級納米微球的表層是由納米片堆積而來的網(wǎng)狀構(gòu)造。