Mn-Co共掺杂纳米ZnO粉体的制备及性能研究

Mn-Co共掺杂纳米ZnO粉体的制备及性能研究,学号 ： 答辩人 ： 指导老师：,目录,研究目的及意义,纳米ZnO概述,实验及表征,结论,近年来，为了改善纳米ZnO材料的使用性能，通常采用向ZnO独特的结构中引入其他元素来改善和增强其性能。本课题研究的是Co-Mn对纳米ZnO粉体的掺杂，一方面研究掺杂金属元素对纳米氧化锌的结构和形貌的影响，另一方面是可以实现对其有目的的掺杂，改变其光学、磁学、发光性能、光催化降解、导电性等。使其在光学、磁学、电学等领域得到广泛的应用,研究目的及意义,纳米ZnO概述,Rocksalt Zinc blcnde Wurtzite,像大多数- 族二元化合物半导体一样，ZnO也有三种结构：立方岩盐矿结构、立方闪锌矿结构和六角纤锌矿结构。氧化锌在常温常压下以六角纤锌矿的热力学稳定相结构存在，立方岩盐矿结构只能生长在于其相近的立方结构的衬底上，氯化钠式的八面体结构只在一定高压下被观察到，在自然界是很少存在的。,1.纳米ZnO晶格结构,2.纳米ZnO的基本性质,实验及表征,1.实验试剂、仪器及方法,实验试剂：氢氧化钠、氯化锌、六水合氯化锰、六水合氯化钴、盐酸、无水乙醇、乙二胺四乙酸钠、邻苯二甲酸氢钾 实验仪器：AR2140型电子分析天平、HJ-5型多功能恒温搅拌器、JJ-1定时电动搅拌棒、DK-98-电热恒温水浴锅、SHZ-DIII循环水真空泵、WGL-658电热鼓风干燥箱、RJM-28-10A茂福式加热用电阻炉、 D8Advance型X-射线衍射仪、FEI Sirion扫描电子显微镜、JS-1600型离子溅射仪 实验方法：共沉淀法,2.实验流程,配置溶液,研磨,灼烧,抽滤、洗涤,干燥,搅拌,配置1mol/L ZnCl2溶液、0.1mol/L的CoCl2溶液、0.1mol/L的MnCl2溶液和2mol/L的NaOH溶液，在一定温度下，将配置好的NaOH溶液缓慢滴加到1mol/L的 ZnCl2溶液、0.1mol/L的CoCl2溶液和0.1mol/L的MnCl2溶液混合溶液中，搅拌一定时间后得到前躯体悬浊液。将悬浊液抽滤、洗涤后放入烘干箱内进行干燥，然后倒入坩埚放入真空电阻炉进行灼烧，最后将其放入玛瑙研钵中进行研磨后得到Mo、Co共掺杂的纳米ZnO粉体。,3.表征,本论文采用X-射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（FESEM）对实验获得样品进行表征和分析。,图1：ZnO：Mn：Co浓度比为1：0.05：0.05 的XRD图谱,图2：ZnO：Mn浓度比为1：0.05的XRD图谱,图3：ZnO：Mn：Co浓度比为1：0.04：0.01的XRD图谱,图4：ZnO：Mn：Co浓度比为1：0.01：0.04的XRD图谱,图5：ZnO：Mn：Co浓度比为1：0.015：0.035 的XRD图谱,图1.所示为Mn和Co的掺杂量为5%的样品在25水浴温度下搅拌1h，130干燥箱内干燥2h，600温度下煅烧2h后的XRD图谱，在图谱中仅出现了六方钎锌矿结构衍射峰，没有出现其他衍射峰，说明在这种掺杂量及反应条件下ZnO的结构没有发生明显变化； 图2.和图3.分别是Mn的掺杂量为5%和Mn的掺杂量为4%Co的掺杂量为1%的样品在25水浴温度下搅拌1h，130干燥箱内干燥1h，600温度下煅烧1.5h后的XRD图谱，在图谱中除了ZnO的衍射峰外，在100，002高峰之前出现两个小峰，分别为MnO和CoO的衍射峰，说明在这种掺杂量及反应条件下有一部分杂质氧化物存在； 图4.所示是Mn和Co的掺杂量分别为1%和4%的样品在25水浴温度下搅拌2h，130干燥箱内干燥1h，500温度下煅烧2h后的XRD图谱，图5.所示是Mn和Co的掺杂量分别为1.5%和3.5%的样品在30水浴温度下搅拌1h，130干燥箱内干燥1h，600温度下煅烧2h后的XRD图谱，上述两组实验都没有其他衍射峰出现并得到了明显的ZnO的衍射峰。,图6 不同掺杂浓度ZnO：Mn：Co样品的 FESEM 照片 a：1：0.05 ：0.075 10000 b：1：0.05 ：0.075 40000 c：1：0.05 ：0.05 10000 d：1：0.05 ：0.05 40000,图7 不同掺杂浓度ZnO：Mn：Co样品的 FESEM 照片 e：1：0.01 ：0.04 10000 f：1：0.01 ：0.04 40000 g：1：0.015：0.035 10000 h：1：0.015：0.035 40000,图6.和图7.所示是不同浓度的Mn-Co掺杂纳米ZnO粉体在扫描电子显微镜中，在20kV高压下拍摄的10000倍和40000倍的SEM照片。纯 ZnO 为分散均匀的纺锤体结构，长度约为 600 nm，直径 200 nm。 图a、b分别是Mn、Co掺杂量为5%、7.5%的纳米ZnO样品在10000倍和40000倍下的照片，从图中可以看出当掺杂Mn、Co元素后颗粒尺寸明显变小，形貌也发生变化，分散均匀，观察样品可以看到照片中存在明显的六方状颗粒，平均粒径为200nm。 图c、d分别是Mn、Co掺杂量都为5%的纳米ZnO样品在照片，从图中可以看到有一半的棒状颗粒和细小的颗粒存在，棒状颗粒长度约为500nm，直接约200nm，细小颗粒的直径平均在200nm。 图e、f分别是Mn、Co掺杂量为1%、4%的纳米ZnO样品，从图中可以看出当掺杂Mn、Co元素后棒状较多，同时还出现了部分团聚现象。图g、h分别是Mn、Co掺杂量为1.5%、3.5%的纳米ZnO样品，从图中可以看出样品的SEM 形貌照片明显出现颗粒团聚的现象。,结论,本论文以 ZnCl2、MnCl2、CoCl2和NaOH为原料，采用共沉淀法成功制备了Mn、Co离子共掺杂的纳米ZnO 粉体，确定了煅烧温度、煅烧时间、溶液碱度、原料比例、搅拌时间和预搅拌温度等最佳实验参数。分析和讨论不同Mn2+、 Co2+以不同掺杂浓度制备的ZnO 纳米粉体的结构、形貌等特征。其主要结论如下： （1）以ZnCl2、MnCl2、CoCl2和NaOH为原料，采用共沉淀法制备ZnO 纳米粉体的最佳反应条件：煅烧温度600、煅烧时间2h、总掺杂量为12.5%、搅拌时间2h、预搅拌温度为25。 （2）通过研究不同 Mn2+、Co2+掺杂浓度 ZnO：纳米粉体的结构、形貌特征，Mn、Co 元素以Mn2+、 Co2+的形式替代了 Zn