表面活性劑對(duì)合成納米ZnO形貌及光致發(fā)光性能的影響研究

郭強(qiáng)強(qiáng)，王忠旭，胡夢(mèng)杭，程曉琳，張依琳

(唐山師范學(xué)院 化學(xué)系，河北 唐山 063000)

ZnO是一種直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，因具有良好的光電和壓電性能，以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定等特性，在光催化、制藥等方面均有廣泛應(yīng)用[1]。

納米ZnO因其顆粒尺寸的細(xì)微化，使其具有宏觀物體所沒(méi)有的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及高透明度等特點(diǎn)[2]，但是其顆粒較易團(tuán)聚。為了使制備的納米ZnO顆粒的形貌以及光致發(fā)光性能更為優(yōu)良，可以在制備的過(guò)程中通過(guò)添加表面活性劑到納米材料前驅(qū)物，使溶液的表面張力下降，表面能變小，進(jìn)而使分散體系中粒子的聚集程度降低[3]，能夠讓分散體系保持相對(duì)穩(wěn)定。

王書(shū)媚[4]等指出如果在沉淀過(guò)程中添加表面活性劑，就可以抑制前驅(qū)體的長(zhǎng)大和團(tuán)聚，并能制備出粒徑小、粒徑分布范圍窄、品質(zhì)更高的納米ZnO材料。王賽[5]等采用均相沉淀法制備納米ZnO，研究結(jié)果表明，添加了復(fù)合型表面活性劑以及陰離子型表面活性劑的納米ZnO分散性能優(yōu)于添加了非離子表面活性劑的納米ZnO分散性能。王艷香[6]等利用水熱合成法制備納米ZnO，結(jié)果表明添加了十六烷基三甲基溴化胺、聚乙烯醇、十二烷基硫酸鈉和聚丙烯酰胺所制得的納米ZnO是棒狀形貌，而添加了乙酰苯胺和三聚磷酸鈉所制得的納米ZnO是片狀結(jié)構(gòu)的形貌。

本研究選用了十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、檸檬酸鈉等陰離子型表面活性劑和十六烷基三甲基溴化銨陽(yáng)離子型表面活性劑，采用簡(jiǎn)單的水熱合成法，制備出了形貌和尺寸均勻的納米ZnO粉體，從而通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表面活性劑的種類(lèi)對(duì)納米ZnO的形貌以及光致發(fā)光性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

選用氫氧化鈉作為堿源，醋酸鋅為鋅源，采用水熱合成法并通過(guò)添加陽(yáng)離子型、陰離子型表面活性劑來(lái)制備納米ZnO粉體。反應(yīng)溫度控制在160 ℃，反應(yīng)時(shí)間為10 h，控制鋅源和堿源物質(zhì)的量之比為1∶15。添加的陰離子型包括：(a)十二烷基苯磺酸鈉、(b)十二烷基硫酸鈉、(c)檸檬酸鈉，陽(yáng)離子型表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨。

對(duì)制備的樣品進(jìn)行紅外光譜(IR)、X-射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、光致發(fā)光譜(PL)進(jìn)行表征，探索表面活性劑的種類(lèi)對(duì)納米ZnO的形貌以及光致發(fā)光性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 陰離子表面活性劑對(duì)納米ZnO合成的影響

圖1為分別添加陰離子表面活性劑(a)十二烷基苯磺酸鈉、(b)十二烷基硫酸鈉、(c)檸檬酸鈉制備的納米ZnO的透過(guò)率紅外譜圖。由圖1可知，波數(shù)在540 cm-1左右的地方是ZnO的特征譜峰，由于晶體中存在Zn-O鍵，Zn-O鍵的伸縮振動(dòng)導(dǎo)致特征峰的出現(xiàn)，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)成功合成出了納米ZnO。除此特征峰外，波數(shù)在1 600 cm-1處有微弱的吸收峰，這是由于樣品中存在表面吸附水分子的O-H彎曲振動(dòng)所致[7]。另外，波數(shù)在3 427 cm-1左右的地方為典型的-OH的吸收峰，是由-OH的伸縮振動(dòng)所致，說(shuō)明樣品中含有部分-OH。添加這三種陰離子表面活性劑合成出的納米ZnO在540 cm-1出現(xiàn)特征峰強(qiáng)度較大，說(shuō)明添加此類(lèi)型表面活性劑制備出的Zn-O鍵能大，在1 400 cm-1左右添加檸檬酸鈉制備出的納米ZnO中出現(xiàn)較大C-H鍵的雜峰，說(shuō)明添加檸檬酸鈉后制備的納米ZnO粉體中仍然具有一定量的有機(jī)模板制劑。

圖1 添加陰離子表面活性劑制備的納米ZnO的透過(guò)率紅外譜圖

圖2為分別添加陰離子表面活性劑(a)十二烷基苯磺酸鈉、(b)十二烷基硫酸鈉、(c)檸檬酸鈉制備出的納米ZnO的熒光譜圖。由圖2可知，分別添加三種表面活性劑后制備出的納米ZnO在390 nm左右處有近紫外發(fā)射峰，純ZnO紫外發(fā)射峰在380 nm處[8]，說(shuō)明發(fā)射峰有明顯的紅移。紫外發(fā)射峰一般可歸于ZnO晶體中自由激子的近邊帶發(fā)射，紫外發(fā)射強(qiáng)度越高，意味著晶體的結(jié)晶質(zhì)量越高。添加(a)合成出的納米ZnO的近紫外發(fā)射峰強(qiáng)度更大，表明添加(a)合成出的納米ZnO結(jié)晶質(zhì)量較高。在分別添加(a)(b)(c)制備出納米ZnO的光致發(fā)光譜中，在470 nm和533 nm左右處還有綠光發(fā)射峰，藍(lán)-綠光發(fā)射峰與ZnO內(nèi)部的深能級(jí)缺陷有關(guān)，產(chǎn)生的原因還沒(méi)有定論，或許是由于單離子化的氧空位、鋅空位等本征缺陷造成的。另外，紫外發(fā)射峰強(qiáng)度和綠光發(fā)射峰強(qiáng)度的比值越大，意味著晶體中的缺陷程度越差，結(jié)晶質(zhì)量越高[9-10]。

圖2 添加陰離子表面活性劑制備納米ZnO的熒光譜圖

2.2 陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)納米ZnO合成的影響

圖3為添加十六烷基三甲基溴化銨制備而成的納米ZnO的透過(guò)率紅外譜圖。由圖3可知，波數(shù)在546 cm-1處出現(xiàn)的特征峰被認(rèn)為是納米ZnO，這表明合成出了納米ZnO粉體，在3 408 cm-1處出現(xiàn)的譜峰被認(rèn)為是-OH或者H2O的吸收峰，在1 634 cm-1處有較大的峰產(chǎn)生，這是由于樣品中存在表面吸附水分子的O-H彎曲振動(dòng)所致。在1 400 cm-1處峰為C-H鍵的雜峰。

圖3 添加陽(yáng)離子表面活性劑制備的納米ZnO的紅外譜圖

圖4為十六烷基三甲基溴化銨陽(yáng)離子表面活性劑制備的納米ZnO的熒光譜圖。由圖4可以看出，在398 nm處有近紫外發(fā)射峰，且近紫外發(fā)射峰的強(qiáng)度較大，同時(shí)光致發(fā)光譜在470 nm處和較寬的531 nm處有綠光發(fā)射峰，其原因可能是與束縛激子發(fā)光以及晶體的結(jié)構(gòu)缺陷和含有雜質(zhì)有關(guān)，其中結(jié)構(gòu)缺陷主要來(lái)自ZnO生長(zhǎng)過(guò)程中所需的氧供給量不足。總體而言，結(jié)晶質(zhì)量與紫外發(fā)射峰強(qiáng)度和綠光發(fā)射峰強(qiáng)度的比值有關(guān)，比值越大，其晶體的缺陷程度越差，結(jié)晶質(zhì)量越高。通過(guò)計(jì)算可得比值大約是2.1，表明與加入陰離子表面活性劑相比，加入陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨合成的納米ZnO的結(jié)晶質(zhì)量更好。

圖4 添加陽(yáng)離子表面活性劑制備的納米ZnO的熒光譜圖

2.3 X-射線衍射分析

通過(guò)X-射線衍射測(cè)試，可了解生成樣品中的成分和晶體的結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖5所示。(a)表示未添加表面活性劑的樣品，(b)表示添加了十二烷基苯磺酸鈉，(c)表示添加了十六烷基三甲基溴化銨的樣品。結(jié)果顯示，所有衍射峰的位置所顯示的數(shù)據(jù)都和ZnO標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡(NO.036-1451)的數(shù)據(jù)相吻合，屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，無(wú)其他雜峰，表明所有的產(chǎn)品純度較高[11]。加入表面活性劑與未添加表面活性劑的納米ZnO結(jié)構(gòu)對(duì)比，峰形更加尖銳，說(shuō)明結(jié)晶性更好，同時(shí)衍射峰強(qiáng)度也略低一些，表明尺寸變小[12]。

圖5 添加不同表面活性劑制備的納米ZnO的XRD圖

2.4 電鏡譜圖分析

圖6中(a)(b)(c)分別表示為未添加表面活性劑以及加入十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨制備的納米ZnO的電鏡圖。由圖6可知，未添加表面活性劑制備出的納米ZnO的微結(jié)構(gòu)是六棱柱狀，添加十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基溴化銨制備的納米ZnO的微結(jié)構(gòu)為棒狀，這表明加入表面活性劑改變了納米ZnO的形貌。添加十二烷基苯磺酸鈉制備的納米ZnO呈現(xiàn)沒(méi)有順序的排列，其棒徑以及長(zhǎng)度各不相同；添加十六烷基三甲基溴化銨制備的納米ZnO有較為均勻的排列，其棒徑基本相同。可以看出加入表面活性劑后合成的納米ZnO的棒徑也發(fā)生著變化。

(a)

(b)

(c)圖6 添加不同表面活性劑制備而成的納米ZnO的電鏡圖

水熱反應(yīng)過(guò)程中，表面活性劑可以作為一種“模板”，幫助ZnO定向生長(zhǎng)，同時(shí)表面活性劑結(jié)構(gòu)里有較長(zhǎng)的疏水鏈可以起到一定的空間位阻作用[12]，阻礙納米棒向較大尺寸生長(zhǎng)，十二烷基苯磺酸鈉作為陰離子表面活性劑在水中電離出疏水性的陰離子，通過(guò)靜電作用吸附到納米ZnO的表面，使納米ZnO的生長(zhǎng)呈現(xiàn)各異向性；十六烷基三甲基溴化銨作為陽(yáng)離子表面活性劑能在水溶液中電離出較長(zhǎng)疏水基團(tuán)C9H42N+，它能吸附在晶體的特定晶面上，誘導(dǎo)其生長(zhǎng)，阻止粒子之間發(fā)生團(tuán)聚，因此水熱法所獲得的主要產(chǎn)物為尺寸較小的細(xì)棒狀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

選用氫氧化鈉作為堿源，醋酸鋅為鋅源，采用水熱法合成出光致發(fā)光性能良好的納米ZnO。控制鋅源和堿源物質(zhì)的量之比為1∶15，通過(guò)添加表面活性劑能夠抑制前驅(qū)體的團(tuán)聚，可以制備出粒徑小、分散性好的ZnO結(jié)構(gòu)。不添加表面活性劑的納米ZnO為柱狀，而添加表面活性劑的納米ZnO呈現(xiàn)形態(tài)各異的形貌，如針狀、棒狀。另外，加入陽(yáng)離子表面活性劑的納米ZnO粒徑小，均勻性好，結(jié)晶質(zhì)量最好。PL結(jié)果表明，加入十六烷基三甲基溴化銨合成的納米ZnO效果最好。

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