论文部分内容阅读
本文采用X射线吸收精细结构技术(XAFS:包括EXAFS和XANES两种方法),并结合透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、超导量子干涉仪(SQUID)等实验技术,研究了石墨烯(graphene)调控氧化锌(ZnO)基半导体纳米材料的磁学性能及光催化性能的内在机理。采用类溶胶凝胶法分别合成了过渡金属钴掺氧化锌量子点(Zn0.98Co0.02O)与石墨烯的复合材料Zn0.98Co0.02O/RGO以及氧化锌纳米晶与石墨烯的复合材料ZnO/RGO。详细的理论及实验结果表明Zn0.98Co0.02O和RGO间电子相互作用产生的CoZn+Vo复合体是决定Co2+之间具有室温铁磁耦合的关键因素；氧空位和RGO对光生电子的协同俘获作用导致ZnO/RGO的光催化效率较ZnO提高了～10倍。1.利用石墨烯调控Co掺杂ZnO基稀磁半导体的磁学性质采用XAFS技术与密度泛函理论方法(DFT)系统地研究了Zn0.98Co0.02O量子点与石墨烯不同复合纳米材料的电子结构、局域结构及磁学特性。EXAFS结果说明所制备样品中磁性掺杂Co2+占据Zn替代位(CoZn)。UV-Vis谱、Raman谱及EPR谱表明Zn0.98Co0.02O与石墨烯之间存在剧烈的电子相互作用,并导致大量氧空位(Vo)产生。使用VASP(维也纳从头计算软件包)的计算结果和XANES技术表明,Vo选择性地存在于CoZn的最近邻并形成Cozn+Vo复合体。Cozn+Vo复合体拓宽了Co2+空t2g↓少数态,在导带底引入杂质能级t2g↓-Vo,最终导致Co掺杂ZnO与RGO杂化结构中Co2+间的室温铁磁相互作用。2.利用石墨烯调控ZnO基光催化材料的光催化降解活性采用一步法制备了还原氧化石墨烯(RGO)包覆ZnO纳米颗粒(NPs)的准核壳结构ZnO/RGO光催化复合材料。透射电镜(TEM)和x射线衍射(XRD)表明ZnO/RGO是由纤锌矿ZnO和石墨烯组成,且石墨烯包覆了颗粒尺寸约为6nm的ZnO。XPS和Raman结果说明准核壳结构中ZnO与石墨烯之间存在界面相互作用,并在ZnO中引入了～3%的界面应力,同时产生大量氧空位(Vo)。光致发光谱(PL)进一步表明,与ZnO纳米晶相比,ZnO/RGO的带间发射强度降低了～80%,并且出现了对应于Vo的绿光发射峰。最后,根据上述实验结果提出ZnO/RGO光催化活性增强的机理：石墨烯纳米片和界面应力作用所产生的氧空位对光生电子的高效协同俘获作用是导致ZnO/RGO具有高效光催化活性的内在原因。