1 Физически отдел, Колеж за наука и изкуства, Университет Крал Абдулазиз, Рабиг 21911, Саудитска Арабия

2 Физически отдел, Факултет по природни науки, Университет Загазиг, Загазиг 44519, Египет

3 Физически отдел, Факултет по природни науки, Assiut University, Assiut 71516, Египет

4 Физически отдел, Факултет по природни науки, Университет Табук, П.О. Box 741, Tabuk 71491, Саудитска Арабия

Резюме

Наночастиците ZnO се получават чрез хидролиза и кондензация на цинков ацетат дихидрат чрез калиев хидроксид в алкохолна среда при ниски температури. Термичният гравиметричен анализ (TGA) на прекурсора се прави, за да се определи температурният диапазон, в който загубата на тегло и топлинният ефект са значителни. Рентгеновата дифракция на приготвените проби показва, че шестоъгълният (

Å) структурата е преобладаващата кристалографска структура. Според формулата на Шерер средният размер на наночастиците е 22,4 ± 0,6 nm. Структурните свойства на синтезираните наночастици ZnO са потвърдени с помощта на ТЕМ микрографии. Оптичната енергийна междина на наночастиците ZnO, получена от прилагането на уравнението на Tauc, е равна на 3,52 eV, което е по-високо от това на насипния материал. Абсорбционният пик на приготвената проба е 298 nm, което е силно изместено в синьо в сравнение с общия обем (360 nm). Голямата оптична енергийна междина и силно изместеният ръб на абсорбция потвърждават, че получените ZnO наночастици проявяват силен ефект на квантово задържане.

1. Въведение

Полупроводниковите наночастици от цинков оксид (ZnO) привлякоха много внимание поради интереса им към фундаменталното изследване и също така приложните им аспекти като преобразуване на слънчева енергия, варистори, луминисценция, фотокатализа, електростатично дисипативно покритие, прозрачни UV защитни филми и химически сензори [1–4]. Различни методи като термично разлагане, химическо отлагане на пари, зол гел, спрей пиролиза и утаяване са разработени за производството на наноразмерни частици ZnO с еднаква морфология и размер [5–9]. Сред тези синтетични пътища подходът на валежите в сравнение с други традиционни методи осигурява лесен начин за евтина и мащабна продукция, която не се нуждае от скъпи суровини и сложно оборудване [10].

Наночастиците ZnO са синтезирани от Han et al. [11] чрез валежи-пиролиза (P&P), където се получава предшественикът цинков хидроксид карбонат (Zn5 (CO3) 2 (OH) 6). Техните TEM резултати показват, че температурата на пиролиза е преобладаващият фактор за контролиране на средния размер на наночастиците, вариращ от 8 nm до 80 nm. Установено е, че повишаването на температурата на пиролиза увеличава средния размер. Силно диспергирани еднородни частици ZnO с различни размери и форми се приготвят чрез бавно добавяне на разтвори на цинкова сол и натриев хидроксид паралелно във водни разтвори на арабска смола [12]. С изключение на много ранните етапи, утаените твърди вещества се състоят от добре дефинирана фаза на цинков оксид. Температурата на реакцията влияе както върху размера на прекурсорите, така и върху тяхното разположение в крайните частици. При околна температура първичните наночастици с размер приблизително 10 nm образуват сферични агрегати, докато при 600 ° C те са много по-големи (44 nm) и се комбинират, за да образуват доста еднородни шестоъгълни ZnO призми.

В настоящата работа се използва метод на директно утаяване за синтезиране на наноразмерни частици ZnO, използвайки суровините. Характеризирането на получените частици е направено с помощта на рентгенова дифрактометрия в допълнение към морфологията на частиците, използвайки пропускащия електронен микроскоп. За да се получи повече информация за синтезираните частици, оптичните свойства на получения колоиден разтвор се изследват с помощта на UV-VIS двулъчев спектрофотометър.

2. Експериментални техники

ZnO наночастиците се получават по метода, който е докладван по-рано от Pacholski et al. [13] чрез хидролиза и кондензация на цинков ацетат дихидрат чрез калиев хидроксид в алкохолна среда при ниски температури. Наночастиците ZnO се утаяват на дъното и излишната маточна течност се отстранява; след това утайката се промива няколко пъти с метанол. Анализът на енергийно-дисперсионната спектрометрия (EDS) за откриване на характерните рентгенови лъчи на съставните елементи се извършва с помощта на детектор X-Max 80, който е оборудван с пропускателен електронен микроскоп (TEM) JEM-1230.

Термичният гравиметричен анализ (TGA) се провежда, като се използва едновременно DTA-TG апарат (DTG-60H, Shimadzu Co., Япония). Приблизително 20 mg от пробата се поставят в платинен тигел върху тигана на микровесата и се нагряват от стайна температура до 700 ° C, като се използва Al2O3 като инертен материал. Анализът се извършва под азотен поток при скорост на нагряване 10 ° C/min -1. Праховите рентгенови измервания се извършват с помощта на рентгенов дифрактометър (Shimadzu XD-3A) в дифракционния ъгъл

, с едноцветен CuK

Източник. Използван е предавателен електронен микроскоп с висока разделителна способност (HRTEM, JEM 2100) с полюс с висока разделителна способност, работещ при ускоряващо напрежение 200 kV. Работи под вакуум от

10 −6 Pa. Тези условия дават разделителна способност на решетката от 0,14 nm и разделителна способност от точка до точка от 0,23 nm, които помагат на инструмента да бъде перфектна техника за изобразяване на материали в атомната скала. Оптичните свойства на наночастиците в разтвори се изследват с помощта на UV-видим спектрофотометър (Shimadzu, UV-2450) в дължините на вълните от 200–900 nm.

3. Резултати и дискусия

След измиване на синтезирания материал в метанол и изсушаване с въздух, той показва прахообразна форма с бял цвят. Чистотата на така приготвените наномащабни частици ZnO се потвърждава допълнително чрез диспергираща енергията рентгенова спектроскопия (EDS). EDS спектърът показва наличието само на Zn и O елементи в атомно съотношение 1: 1 в анализираната проба ZnO. За да се разбере фазовата симетрия на синтезираните ZnO нанокристали, беше проведено систематично изследване на XRD. Анализира се загубата на тегло на изследвания материал. Фигура 1 показва термогравиметричния анализ (TGA) на синтезираните наночастици. В случай на така подготвените ZnO NPs, се наблюдава висока степен на загуба на маса в температурния диапазон

поради изпарението на водата, абсорбирана на повърхността на продуктите. При по-високи температури загубата на тегло продължава до 500 ° C, което не е така при калцинираните ZnO NP. В последните образци загубата на маса завършва при около 300 ° C, което се дължи на разлагането на Zn (OH) 2. Сравнението между тези две TGA криви, показано на фигура 1, показва подобряването на качеството на ZnO NP след процеса на калциниране при 400 ° C.

директно

Термогравиметричният анализ (TGA) на синтезираните наночастици ZnO.

Фигура 2 показва XRD модела за синтезираните ZnO наночастици. Не се откриват допълнителни пикове на дифракция, съответстващи на Zn или други фази на ZnO, което показва, че чистите наночастици ZnO имат кристална природа. Интензивността на върховете е остра и тясна, което потвърждава, че пробата е с високо качество с добра кристалност и фин размер на зърната. XRD моделът на приготвения образец показва, че шестоъгълният

структурата е преобладаващата кристалографска структура според PDF с номер 04-015-4060 Cross-Ref [14]. Типичният XRD модел за хексагонална структура показва три най-силни линии при 2 стойности, равни на 31,76 °, 34,58 ° и 36,67 °, поради отражение съответно от кристалографските (100), (002) и (101) равнини. Други пикове на отражение са обобщени в таблица 1. Средният размер на нанокристалите се изчислява съгласно формулата на Debye-Scherer [15]:

където константата се приема за 0,94, е дължината на вълната на източника на излъчване CuK и пълната ширина при половин максимум (FWHM в радиани) на дифракционния пик, съответстващ на ъгъла на дифракция на Браг. Използвайки горното уравнение, се установява, че средният размер на кристалита е в диапазона

нм. Деформацията, индуцирана в получения материал поради кристално несъвършенство и изкривяване, беше изчислена [16], като се използва формулата:

Съгласно горното уравнение, нанасянето на стойностите на (в rad) спрямо трябва да даде права линия, както е показано на фигура 3. От най-малкото квадратно прилягане към експерименталните точки, наклонът на правата линия дава директно стойността -value

на наночастиците ZnO. В предишна работа [17] беше установено, че стойността на деформацията на вътрешната решетка е за наночастиците ZnO. Стойност, която е по-висока от настоящата, показва, че приготвените ZnO наночастици имат по-малко несъвършенства от тези, докладвани в [17]. Тези стойности на деформация потвърждават еднородността на образеца във всички кристалографски посоки, като по този начин се има предвид изотропната природа на кристала, където свойствата на материала са независими от посоката, по която са измерени.