论文部分内容阅读
ZnO作为一种直接宽带隙半导体材料,具有较高的禁带宽度（3.37eV）和室温激子束缚能（60meV）,在光电材料、功能材料、光催化剂、生物传感器、纳米器件等诸多方面具有广阔的应用前景。近年来,排列整齐有序的一维纳米结构ZnO的制备与应用已成为纳米材料领域的研究热点之一,越来越受到人们的关注。当前制备一维纳米结构ZnO的工艺方法很多,绝大多数对一维纳米结构ZnO的研究工作主要以Al2O3、硅片、导电玻璃等固体基材作为生长衬底。而纺织品由于纤维表面结构的复杂性和表面性能的差异,使得该技术还不能很好地应用于柔性基材的纺织材料上;与此同时,ZnO还存在带隙较宽,光生载流子复合率高,与纤维结合牢度差等缺陷,这都限制了一维纳米结构ZnO在柔性纺织材料中的应用。针对这些问题,本文对纺织品表面ZnO纳米棒的可控生长、掺杂改性以及在纺织品耐久性功能整理的应用上进行了深入研究,并取得了如下成果:一、利用水热法在覆盖有ZnO纳米晶种层的棉纤维表面竖直生长ZnO纳米棒阵列,并用形貌控制剂对ZnO纳米棒进行了可控生长。探讨了棉纤维表面ZnO纳米晶种层、水热反应溶液浓度、水热反应温度、水热反应时间对ZnO纳米棒阵列的制备与形貌结构的影响。研究表明:纤维表面的ZnO纳米晶种层是ZnO纳米棒阵列生长的前提和基础;通过调节水热反应条件可实现对ZnO纳米棒阵列形貌尺寸的控制;表面生长有ZnO纳米棒阵列的棉织物具有超强的抗紫外线性能。二、为了解决ZnO纳米棒光催化材料本身的缺陷,本文制备了改性的ZnO纳米棒,通过稀土元素La、Nd和Gd单掺杂及共掺杂ZnO纳米棒方法来提高光量子产率,拓宽光响应范围,提高光催化活性,并利用杂化轨道理论分析和研究了掺杂后ZnO纳米棒光催化性、光响应范围和应用领域扩大的原因。研究表明:通过掺杂稀土元素,可窄化禁带宽度,在可见光条件下也可激发其产生光催化能力,拓宽了ZnO纳米棒的光响应范围,或者降低光生电子与空穴的复合概率,进一步提高ZnO纳米棒光催化活性。与未掺杂或单一掺杂的ZnO纳米棒相比,双元素改性ZnO纳米棒在紫外和可见光下对亚甲基蓝都有很好的降解效果,且改性ZnO纳米棒的光催化活性主要取决于掺杂离子的特性和浓度以及之间的协同作用。三、通过加入偶联剂,以提高棉织物与ZnO纳米棒的结合牢度。本文初步探讨了偶联剂在提高ZnO纳米棒与棉织物产生牢固结合过程中的作用,并采用直接法和分步法两种工艺将ZnO纳米晶种覆盖到棉纤维表面,使偶联剂在棉纤维和ZnO之间起到“分子桥”的作用,从而提高结合牢度。结果表明:经偶联剂处理过的棉织物与ZnO纳米棒之间能产生比较牢固的结合,尤其是采用分步整理工艺处理的棉织物,经10次水洗后的织物对亚甲基蓝仍具有良好光催化效果,下降率仅为1.3%。