聚乙二醇分子量调控ZnO纳米颗粒合成及其温度/pH依赖性电化学性能研究

本研究通过PEG辅助水热法合成n型ZnO纳米颗粒（NPs），系统探究了PEG分子量（8000/10000/20000）对ZnO结构形貌（XRD/FTIR/FE-SEM）及电化学行为（CV/LSV/EIS）的调控机制。研究发现PEG-20000合成的Z20k样品具有最小粒径（39.93 nm）、最窄带隙（3.02 eV）及最优电化学性能（酸性条件下电流密度达267.83 mA/cm2，HER塔菲尔斜率147.07 mV/dec），为能源存储与催化材料设计提供了新策略。

　　

Highlight

本研究揭示了聚乙二醇（PEG）分子量对氧化锌（ZnO）纳米颗粒结构-性能关系的深刻影响。通过水热法合成的ZnO样品（Z_8k/Z_10k/Z_20k）均保持纯六方纤锌矿结构，其中PEG-20000制备的Z_20k展现出最均匀的球形形貌（39.93 nm）和最小带隙（3.02 eV）。电化学测试表明，Z_20k在中性电解液（1 M Na₂SO₄）中具有最佳氧化还原对称性（TN=0.998）和离子传导性，在酸性条件下更实现267.83 mA/cm²的卓越电流密度。氢析出反应（HER）分析揭示其遵循Volmer步骤限制机制，塔菲尔斜率147.07 mV/dec。

Materials

实验采用六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂O）、碳酸铵（(NH₄)₂CO₃）及不同分子量PEG（8000/10000/20000）为原料，通过改进的水热法制备ZnO纳米粉体。

XRD, UV, and FTIR studies

X射线衍射（XRD）证实所有样品均为纯相纤锌矿结构（空间群P6₃mc）。随着PEG分子量增加，晶粒尺寸减小且紫外吸收边发生蓝移，Z_20k的FTIR谱图显示最强Zn-O振动峰，表明其结晶度最优。

Conclusion

PEG分子量通过调控ZnO成核动力学显著影响其性能：PEG-20000诱导形成的Z_20k凭借最小粒径、最大比表面积和最佳结晶度，成为能源存储与催化应用的理想候选材料。该研究为表面活性剂辅助合成高性能电化学材料提供了普适性策略。