Введение 3
1 Обзор литературы 5
1.1 Физико-химические свойства ZnO 5
1.1.1 Общие сведения 5
1.1.2 Кристаллическая структура и дефекты 6
1.1.3 Особенности поверхности 9
1.1.4 Оптические свойства и люминесценция 12
1.1.5 ФК свойства 14
1.1.5.1 Механизм ФК и фотокоррозии 14
1.1.5.2 Преимущества и недостатки ZnO по сравнению с TiO2 15
1.2 Методы получения порошковых фотокатализаторов на основе ZnO 19
1.2.1 Химический синтез 19
1.2.2 Физические методы 20
1.2.3 Стратегии модифицирования ZnO для улучшения ФК активности 23
1.3 Другие области практического применения ZnO 27
1.3.1 Гетерогенный катализ 27
1.3.2 Сенсорика 28
1.3.3 Медицина 31
2 Экспериментальная часть 32
2.1 Получение образцов для исследования 32
2.2 Методы исследования физико-химических и функциональных свойств 33
3 Обсуждение результатов 37
3.1 Влияние абляционной среды на свойства порошков без добавок 37
3.1.1 Структурные характеристики 3 7
3.1.2 Оптические свойства 45
3.1.3 Свойства поверхности 49
3.2 ФК свойства 53
3.2.1 Влияние параметров ФК эксперимента на результаты 53
3.2.2 Связь ФК и люминесцентных свойств 55
3.3 Анализ влияния модифицирующих компонентов 58
3.3.1 Структурные характеристики 58
3.3.2 Оптические свойства 64
3.3.3 ФК свойства 66
Заключение 72
Список использованной литературы 74
Приложение А 90
Приложение B 92
Приложение C 93
Приложение D 95
Приложение E 97
Приложение F 98
Приложение G 99
С самого момента открытия в 1970 году полупроводниковому (ИИ) фотокатализу (ФК) уделяется большое внимание среди исследователей в связи с его большим потенциалом при решении текущих экологических и энергетических проблем. Как правило, задачи ФК фокусируются на следующих химических превращениях: фотолиз воды с образованием H2; полное или парциальное окисление (восстановление) органических веществ и реакции синтеза сложных соединений из прекурсоров. Однако внедрение в промышленные масштабы ФК технологий замедляется недостаточностью знаний об истинных механизмах протекания реакций, низкой эффективности процесса и экономической нецелесообразностью. Ввиду этого разработка методов получения и исследование свойств фотокатализаторов (ФКат) нового типа является актуальной задачей на сегодняшний день.
Наряду с наиболее перспективным и исследованным в данной области диоксидом титана TiO2 немалый интерес представляют НН группы AIIBVI (CdS, CdO, ZnS, ZnO), а также гетеросистемы на их основе. Самой близкой альтернативой диоксиду титана является широкозонный (Eg = 3,2-3,7 эВ подобно TiO2) оксид цинка ZnO, являющийся наиболее экологически безопасным и дешевым среди остальных представителей данной группы. Недостатком ZnO является то, что он поглощает свет только в УФ-области и лишь около 45% солнечного спектра приходится на данный диапазон. Поэтому эффективная реализация солнечной энергии по-прежнему остается проблемой. Получение гетероструктур, модифицирование благородными металлами или неметаллами, сенсибилизация красителями, управление кристаллической структурой или обеспечение иерархии в материале - лишь небольшой список стратегий для улучшения ФК активности ZnO.
Важным параметром для эффективного протекания ФК реакций на порошковых НН является нанометровый диапазон размеров частиц, в результате чего происходит увеличение реакционной способности в ФК процессах, а также наличие оптимального количества и типа дефектов, подавляющих процессы рекомбинации после образовании пары «электрон-дырка». В свою очередь, очевидно, что свойства получаемых нанодисперсных порошков напрямую зависят от способа и условий их получения. Нараметры синтеза, влияют как на их фазовый состав и равномерность распределения компонентов, так и морфологию, дефектность кристаллической решетки, удельную поверхность и распределение на ней активных центров.
Импульсная лазерная абляция (ИЛА) металлической мишени является эффективным методом для получения наноразмерных объектов, объединяющим в себе сложные физические процессы и химические превращения, в результате чего происходит формирование частиц с уникальными свойствами.
Данная работа посвящена исследованию фундаментальных физико-химических характеристик, а также ФК свойств порошков ZnO, полученных ИЛА металлической цинковой Zn мишени в водной и воздушной средах, а также систем, модифицированных золотом и серебром.
Объекты исследования: порошки и дисперсии ZnO, полученные ИЛА в воздухе и воде, модифицированные порошки ZnO/Ag и ZnO/Au.
Цель работы: изучение физико-химических и ФК свойств НЧ ZnO, полученного ИЛА Zn мишени в водной и воздушной средах, а также ZnO, модифицированного благородными металлами ZnO/Ag и ZnO/Au.
Задачами исследования являлись:
1 Получение порошков ZnO, варьируя условия абляционной среды (H2O и воздух) и температурной обработки (её отсутствие, 300 оС и 500 оС);
2 Модифицирование порошков ZnO пропиткой растворами-прекурсорами Ag и Au (AgNO3 и HAuCl4) с последующей температурной обработкой.
3 Исследование структуры, морфологии поверхности и пористости полученных образцов (РФА, ТА, СЭМ, ПЭМ, БЭТ).
4 Анализ состояния поверхности методами ИК-спектроскопии для порошков и определения дзета-потенциала дисперсий.
5 Исследование оптических свойств и дефектности порошков ZnO методами УФ- видимой абсорбционной и флуоресцентной спектроскопии.
6 Исследование фотокаталитических свойств при разложении модельных соединений (органических красителей) при воздействии излучением УФ-видимого и видимого (X > 415 нм) диапазона спектра.
7 Анализ и интерпретация полученных результатов, установление связи между физико-химическими и функциональными (ФК) свойствами.
