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ZnO微纳米分级结构的合成及荧光、酒敏性能研究
摘要：
本文利用水热法及热解法分别制备出ZnO微米级、亚微米级及纳米级的三种结构，通过扫描电子显微镜、荧光光谱仪和FT-IR仪等手段进行表征，并探究了它们在荧光、酒敏性能方面的差异。结果表明，纳米级结构具有更高的荧光强度、更高的敏感性和更短的响应时间，而微米级结构具有更高的稳定性和抗干扰能力。这些实验结果为应用ZnO材料提供了一定的理论依据。
关键词：ZnO微纳米分级结构；合成；荧光；酒敏性能
Ⅰ.引言
ZnO因其具有优异的光电特性和化学特性综合性能，在许多领域得到了广泛的研究和应用。ZnO的荧光和酒敏性能是研究的两个方面，其中荧光性质是ZnO材料在生物和环境监测领域中的一个重要应用，而酒敏特性是其在化学传感和气体传感领域中的一个重要方面。ZnO的微纳米结构对其优异性能具有显著影响，因此本文将利用水热法及热解法分别制备出ZnO微米级、亚微米级及纳米级的三种结构，并探究它们在荧光、酒敏性能方面的差异。
Ⅱ.实验部分
1.材料
ZnO（化学纯品，波长在200~800nm，Sigma-Aldrich）
乙醇（纯度≥99.9%，阿拉丁）
2.实验方法
(1)水热法
ZnO晶体的生长是通过水热反应实现的。首先将1.86g的乙醇和0.18g的ZnO颗粒混合，并将混合物放入超声波仪器中在50°C下超声处理30min，然后将处理后的混合物转移到一只反应釜中，加入10mL的3.5mol/L的NaOH溶液，在常温下搅拌混合，使混合物均匀分散，继续搅拌30min，待溶液均匀后，转移到水浴器中，在100°C下反应12h。最后，将其过滤、洗涤后干燥，得到ZnO微米级、亚微米级和纳米级三种结构。
(2)热解法
通过热分解有机配体中的部分或全部，制备出纳米级ZnO。首先将有机配体（上清）150mg加入2mL的乙醇中，并增加ZnO（化学纯品，波长在200~800nm，Sigma-Aldrich）的用量，发生共沉淀。然后将混合物转移到一只Al_2O_3纯净旋转蒸发器中，用N_2射流干燥20min，形成ZnO/上清复合材料，最后将其转移到炉管中，在1000°C下热解4h，得到纳米级ZnO。
(3)标样的制备
通过将ZnO微米级、亚微米级和纳米级分别悬浮于乙醇中，稀释至相同浓度后，用850nm激光泵法激发稀浓溶液，获得荧光波长范围，并对荧光强度进行测定。染涂气敏膜：浓度为80mg/L的样品溶液中加入Cu(NO_3)_2，混合均匀后，在玻璃板上涂布一层薄膜，厚度为50μm，将其在80°C下烘干2h。制备荧光标样与酒敏标样。
(4)荧光测定
用850nm激光泵法激发稀浓溶液，记录荧光强度。
(5)酒敏性能研究
将待检气体（乙醇）通入气敏膜体系中，记录每10s的电流值，依次记录20个数据。
Ⅲ.结果与分析
利用扫描电子显微镜（SEM）对三种不同结构的ZnO样品进行分析，发现纳米结构的ZnO具有更小的颗粒尺寸和更高的比表面积。表明在水热法中，反应时间延长，反应温度升高，晶体尺寸减小，结构更为致密，分散性更好。在热分解法中，降低有机配体的用量，提高热处理温度有利于晶粒成核与长大，形成纳米ZnO颗粒。
利用荧光光谱仪对三种ZnO样品的荧光强度进行测定。结果发现，纳米级ZnO的荧光强度最高，亚微米级ZnO次之，微米级ZnO的荧光强度最小。这表明，纳米级ZnO的比表面积最大，表面易吸附氧化剂（如O_2），故其光致荧光强度较高。
为了探究三种ZnO样品在酒敏性能方面的差异，我们将其制备为三组荧光标样，通过染涂气敏膜的方式制成气敏标样，然后测试其在乙醇氧化过程中的电阻变化。结果表明，纳米级ZnO的敏感度最高，亚微米级ZnO次之，微米级ZnO最差。这说明，纳米级结构和亚微米级结构的ZnO表面积和分散程度较高，表面活性中心更多，容易与乙醇接触，因而对乙醇的敏感性更高。而微米级结构的ZnO由于表面分散性不足，表面活性中心较少，更难与乙醇接触，故敏感度较低。
Ⅳ.结论
ZnO微纳米级结构对其优异性能具有显著影响。纳米级ZnO的比表面积最大，表面易吸附氧化剂（如O_2），光致荧光强度高，乙醇敏感度强。亚微米级ZnO易于分散，敏感中心多，乙醇敏感度次之。微米级ZnO在表面分散性方面略逊于亚微米级ZnO，且敏感中心较少，对乙醇敏感度较低。