銅離子增強ZnO納米材料可見光發射強度的應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體材料領域，具體涉及銅離子增強ZnO納米材料可見光發射的應用。
【背景技術】
[0002]氧化鋅是直接帶隙寬禁帶半導體材料，室溫下具有大的激子束縛能60meV，氧化鋅納米晶體對于過渡族離子的摻雜是優異的受主材料。氧化鋅的應用主要集中在它的光學性能和光催化性能方面。與已經做了大量研宄工作的氧化鈦相比較，關于氧化鋅的光催化性能方面的報道還很有限。對于光催化性能，純氧化鋅在催化作用方面主要是利用紫外光，但是，在太陽光中，紫外光和可見光的比例是1:9，因此，要實現應用氧化鋅作為催化劑材料還面臨著一個重要的挑戰，即在太陽光中能否更有效的利用可見光的吸收。
[0003]因此，急需探索一種增強氧化鋅可見光發射的簡單工藝，使得氧化鋅未來在光催化方面具有潛在的應用價值。

【發明內容】

[0004]本發明的目的旨在提供一種增強氧化鋅可見光發射的可控生長工藝，主要是采用溶膠凝膠法，將不同濃度的銅摻雜進入氧化鋅納米材料，通過調節銅的摻雜濃度有效的增強氧化鋅可見發射強度，克服了現有技術的缺點和困難，這種簡單有效的能夠增強氧化鋅的可見光發射的方法，使得銅摻雜氧化鋅納米材料有望在光催化學方面具有潛在的應用價值。
[0005]為達到上述目的，本發明采取以下的技術方案:
[0006]Cu2+增強ZnO納米材料可見光發射強度的應用。
[0007]具體的，所述的ZnO納米材料的粒徑為30?35nm。
[0008]更具體的，將Cu2+摻入ZnO納米材料中增強ZnO納米材料可見光發射強度，Cu 2+占ZnO納米材料的摩爾分數為3%?10%。
[0009]進一步的，將Cu2+摻入ZnO納米材料中的方法為:
[0010]將含銅化合物、含鋅化合物與檸檬酸通過溶膠凝膠法制備得到ZnO納米材料，含鋅化合物與檸檬酸的用量比為1:3。
[0011]還有，所述的銅化合物為硝酸銅，所述的鋅化合物為硝酸鋅。
[0012]本發明的優點和積極效果如下:
[0013]1、本發明選擇溶膠凝膠法制備不同濃度銅摻雜的氧化鋅納米粒子，銅離子被成功摻雜進入氧化鋅的晶格，通過改變銅在氧化鋅晶格中的摻雜濃度，結果表明銅摻雜進入氧化鋅晶格能夠有效的增強氧化鋅的可見光發射，淬滅紫外發射。
[0014]2、本發明過渡族金屬元素銅摻雜的氧化鋅納米材料的X射線衍射圖譜(見圖1)表明，制備出的樣品是纖鋅礦結構的氧化鋅，沒有其它雜相存在；銅摻雜濃度為5%的氧化鋅的透射電子顯微鏡圖(圖2)表明，銅摻雜氧化鋅納米材料的形貌為納米粒子狀；X射線光電子能譜(圖3)和XRD結果(圖1)表明，銅被成功摻雜進氧化鋅納米粒子的晶格中。深能級發射與紫外發射強度的比(IimAot)和深能級發射與紫外發射積分面積的比(SmE/Suv)隨著Cu摻雜濃度的變化函數(圖6)表明，結果表明銅摻雜進入氧化鋅晶格能夠有效的淬滅紫外發射和增強可見光發射。
[0015]3、本發明溶膠凝膠法具有操作簡單，成本低，反應容易進行，所需溫度低等特點，便于大規模生產，僅通過改變銅元素的摻雜濃度就可以實現增強氧化鋅的可見發射強度。這種簡單有效的能夠增強可見發射的方法，有望在光催化方面具有潛在的應用價值。
【附圖說明】
[0016]圖1是實施例一到四的氧化鋅納米粒子的X射線衍射圖譜；
[0017]圖2是實施例二的氧化鋅納米粒子的X射線光電子能譜；
[0018]圖3是實施例二的氧化鋅納米粒子的透射電子顯微鏡圖；
[0019]圖4是實施例一到四的ZnO納米粒子的光致發光譜圖；
[0020]圖5是實施例一到四的ZnO納米粒子的深能級發射與紫外發射強度的比和深能級發射與紫外發射積分面積的比；
[0021]圖6是模擬計算不同的Cu2+摻雜濃度的Zn^xCuxO體系的光吸收圖譜；
[0022]以下結合說明書附圖和【具體實施方式】對本發明做具體說明。
【具體實施方式】
[0023]作為發光和光催化劑材料，氧化鋅具有優異的性能，如化學穩定性好、表面活性高、光照射吸收效率高、無毒并且自然界含量豐富等優點已經備受關注。對于光催化性能，純ZnO在催化作用方面主要是利用紫外光，但是，在太陽光中，紫外光和可見光的比例是1:9，因此，要實現應用氧化鋅作為催化劑材料還面臨著一個重要的挑戰，即在太陽光中能否更有效的利用可見光的吸收。作為摻雜元素，銅可以通過創造局域的不純能級來調整氧化鋅晶體的發光，因此，銅摻雜氧化鋅體系可能會為實際光催化劑的應用提供一種潛在的途徑，在光催化方面具有廣泛的應用。
[0024]通過改變銅元素的摻雜濃度，實現了不同濃度銅摻雜氧化鋅納米材料的制備，得到了銅摻雜進入氧化鋅晶格能夠有效的淬滅紫外發射和增強可見光發射。
[0025]本發明采用溶膠凝膠法，通過改變銅的摻雜濃度，制備不同濃度銅摻雜的氧化鋅納米粉體材料；
[0026]以下結合實施例對本發明做具體說明:
[0027]實施例一:
[0028]本實施例的氧化鋅納米材料的制備方法包括:
[0029]步驟一:分別配置摩爾濃度為0.1moI/L的硝酸鋅、摩爾濃度為0.lmol/L的硝酸銅、摩爾濃度為0.3mol/L的檸檬酸溶液，將三種溶液分別磁力攪拌30分鐘，使反應物充分溶解；
[0030]步驟二:分別量取77.6mL摩爾濃度為0.lmol/L的硝酸鋅溶液、2.4ml摩爾濃度為0.lmol/L的硝酸銅溶液和77.6mL摩爾濃度為0.3mol/L檸檬酸溶液進行混合；此時銅離子的摻雜濃度為3%摩爾濃度；
[0031]步驟三:將步驟二中混合后的溶液磁力攪拌3小時，形成溶膠；將形成的溶膠放入80°C烘干箱中保溫12小時，形成干凝膠，將干凝膠放入130°C烘干箱中保溫5小時，使其脫水膨化；
[0032]步驟四:將步驟三中的脫水膨化后的干凝膠用瑪瑙研缽充分研磨，研磨后放入坩禍中備用；將裝有研磨后干凝膠的坩禍放入400°C馬弗爐中燒結2小時，得到粉末樣品，該粉末樣品的粒徑為30?35nm。
[0033]實施例二:
[0034]本實施例與實施例一不同的是，分別量取76mL摩爾濃度為0.lmol/L的硝酸鋅溶液、4.0ml摩爾濃度為0.lmol/L的硝酸銅溶液和76mL摩爾濃度為0.3mol/L檸檬酸溶液進行混合；本實施例銅離子的摻雜濃度為5%摩爾濃度，本實施例的粉末樣品的粒徑為30?35nm0
[0035]實施例三:
[0036]本實施例與實施例一不同的是:分別量取74.4mL摩爾濃度為0.lmol/L的硝酸鋅溶液、5.6ml摩爾濃度為0.lmol/L的硝酸銅溶液和74.4mL摩爾濃度為0.3mol/L檸檬酸溶液進行混合，本實施例銅離子的摻雜濃度為7%摩爾濃度，本實施例的粉末樣品的粒徑為30 ?35nm0
[0037]實施例四:
[0038]本實施例與實施例一不同的是:分別量取72.0mL摩爾濃度為0.lmol/L的硝酸鋅溶液、8.0ml摩爾濃度為0.lmol/L的硝酸銅溶液和72.0mL摩爾濃度為0.3mol/L檸檬酸溶液進行混合，本實施例銅離子的摻雜濃度為10%摩爾濃度，本實施例的粉末樣品的粒徑為30 ?35nm0
[0039]對實施例一至四中的氧化鋅納米材料進行了分析，通過X射線衍射儀(XRD):日本Rigaku Dymax公司生產的2500PC型，使用Cu K α射線源；Χ射線光電子能譜(XPS)儀器:英國VG Scientific Ltd公司生產的ESCALAB MK II型；透射電子顯微鏡(TEM):日本理學公司的JEM-2000EX ;光致發光譜(PL) Jobin Yvon公司生產的LABRAM-UV拉曼光譜儀測得；振動樣品磁強計(VSM):美國Lake Shore公司生產的M-7407型進行測定；
[0040]由圖1中的結果表明，XRD圖譜中所有的衍射峰均可以歸結為ZnO纖鋅礦結構并且樣品中未發現Cu、Cu0、Cu20或任何二元鋅銅相的雜質峰，樣品是六方晶系，并且具有較高的結晶質量；
[0041]圖2給出的是Zn 2p、0 Is和Cu 2p的精細掃描的X射線光電子能譜圖，充分說明了銅被成功摻雜進ZnO納米粒子的晶格中；
[0042]圖3是TEM圖，從TEM圖可以看出Cu摻雜ZnO形貌呈現納米粒子狀態，且納米粒徑為30?35nm ；
[0043]圖4是室溫下光致發光譜圖(PL)，可知隨著Cu摻雜濃度的增加，紫外發射峰強度減弱，深能級發光峰強度增強，當銅摻雜濃度大于等于5%時，樣品的深能級發射峰強度高于紫外發射峰的強度；
[0044]圖5給出的是深能級發射與紫外發射強度的比(IimAot)和深能級發射與紫外發射積分面積的比(SmE/Suv)隨著Cu摻雜濃度的變化函數。結果表明銅摻雜進入ZnO晶格能夠有效的淬滅紫外發射，增強可見光發射，Cu摻雜進入ZnO晶格能夠有效的淬滅紫外發射和增強可見光發射，摻雜濃度為10%最好。
[0045]圖6中結果表明:對于純ZnO，模擬計算的是理想的纖鋅礦結構，沒有任何的雜質或缺陷存在，其主要的吸收峰位于紫外發射區，未觀察到可見光區可見光的發射峰；但是，對于模擬計算的銅摻雜氧化鋅體系，能夠觀察到可見光區的發射，隨著Cu摻雜濃度的增加，可見光發射增強，因此，Cu元素的摻雜是增強ZnO的可見光發射的重要因素，從而也是影響ZnO光催化行為的重要因素，使得ZnO在光催化應用方面具有潛在的價值。
【主權項】
1.Cu2+增強ZnO納米材料可見光發射強度的應用。
2.如權利要求1所述的應用，其特征在于，所述的ZnO納米材料的粒徑為30?35nm。
3.如權利要求1或2所述的應用，其特征在于，將Cu2+摻入ZnO納米材料中增強ZnO納米材料可見光發射強度，Cu2+占ZnO納米材料的摩爾分數為3%?10%。
4.如權利要求3所述的應用，其特征在于，將Cu2+摻入ZnO納米材料中的方法為: 將含銅化合物、含鋅化合物與檸檬酸通過溶膠凝膠法制備得到ZnO納米材料，含鋅化合物與檸檬酸的用量比為1:3。
5.如權利要求4所述的應用，其特征在于，所述的銅化合物為硝酸銅，所述的鋅化合物為硝酸鋅。
【專利摘要】本發明涉及銅離子增強ZnO納米材料可見光發射強度的應用，本發明選擇溶膠凝膠法制備不同濃度銅摻雜的氧化鋅納米粒子，銅離子被成功摻雜進入氧化鋅的晶格，通過改變銅在氧化鋅晶格中的摻雜濃度，結果表明銅摻雜進入氧化鋅晶格能夠有效的增強氧化鋅的可見光發射，淬滅紫外發射。
【IPC分類】B01J23-80, C09K11-58
【公開號】CN104650857
【申請號】CN201510050531
【發明人】鄭佳紅, 牛世峰, 鄭若瑤
【申請人】長安大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年1月30日