有關氧化鋅多級納米結構的調控及電化學性能的研究

高 歌

（榆林職業技術學院農學院（陜西省榆林農業學校），陜西 榆林 719000）

1 氧化鋅納米材料的性能特點及應用

1.1 氧化鋅納米材料的性能特點

光學性能：氧化鋅材料的光學性能，近年來有大量的研究者對其展開了深入研究。大部分學者認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射或是近帶邊發射，其二是和存在缺陷或者是含有雜質的可見光發射。因氧化鋅的比表面積較大，其表面的狀態發射變化時也容易對其光學性能造成影響。

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-型導電的原因，其二是p-型導電是否可能由于摻入了雜質而形成。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。

冷發射性：又稱場發射，是納米材料相當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定性和力學穩定性，較低的功函和極佳的抗氧化能力等一系列特點[1]。它也被認為是極有前景的半導體材料。

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，晶體的內部粒子會出現極化現象，從在壓力作用下而產生電勢，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，具備了很好的壓電性能。

鐵磁性能：研究發現，在氧化鋅的離子里添加其他雜質可以調控氧化鋅的磁性能。這也讓氧化鋅在自旋電子器件領域得到了高度的關注。

2 氧化鋅多級納米結構的調控實驗

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，采用離心法收集產物，將產物徹底清洗凈干燥。

光催化實驗則主要是通過亞甲基藍的光催化反應來進行測評。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。將亞甲基藍液體與粉末顆粒安裝1：4的比例混合[2]。使混合液在避光環境下充分混合并攪拌。完成用汞光光源進行照射分析。

3 結果與分析

3.1 檸檬酸鈉對氧化鋅納米結構的調控分析

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，形狀規則均勻、呈現出很好的分散性。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合離子在酸性的條件下非常穩定，但在堿性條件下則非常容易被分解。當檸檬酸根的濃度相對較低的時候，檸檬酸根能夠充當結構調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。當檸檬酸根濃度中等的時候，檸檬酸根對結構相貌的作用相對較復雜。例如使原子堆積的方式發生改變，使結晶顆粒分布成相互連接的網狀形態。當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，這種結構即是多級納米材料的結構形態。當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生了復合反應，形成了無定型檸檬酸鋅復合材料。

3.2 氧化鋅多級納米材料的結構特征和機理

通過TEM測試發現，微球的邊界處和中央區域有十分鮮明的明暗差別，映證了微球內部結構是空心的論點。通過高倍TEM圖像能夠發現，微球邊緣壁是以納米片積壓而形成的網狀的構造，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構的成型原理，本文還進行了XRD測試和紅外光譜分析，結果都進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狀構造。這些納米片是由于溶液中檸檬酸根離子和氫鍵連接發展而來的，然而再彼此連接成網狀的結構，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一定的飽和臨界數值。溶液中的OH-離子既能夠起到協同作用使球體內部得到溶解，如此一來，微球內部會逐漸變成空心，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 結語

本文將檸檬酸鈉作為調整氧化鋅納米結構的調整試劑，通過一步溶液法，對氧化鋅納米材料的調控展開研究。對拓展氧化鋅納米材料在導電體、電子元器件、激光發射器等先進科創領域的深入應用具有積極意義。經分析得知，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構出現三種完全不一樣的結構，隨著濃度由低到高，三種形態分別可以是雙層六棱柱形狀、表面多孔的多級納米結構的微球以及光面納米微球結構。此外，氧化鋅的多級納米結構微球是空心球，其球外層表面呈現出多孔的網狀結構，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狀構造。