TiO2/(Ag-CuO/ZnO)核壳异质结构的结构和形态特性

《Polyhedron》:Structural and morphological properties of TiO2/(Ag-CuO/ZnO) core-shell heterostructures

【字体: 时间:2026年06月09日 来源:Polyhedron 2.6

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  阿萨德·S·亚西尔(Assad S. Yasir)|努尔·J·里达(Noor J. Ridha)|菲拉斯·K·穆罕默德·阿洛斯富尔(Firas K. Mohamad Alosfur)|卡乌拉·J·塔赫尔(Khawla J. Taher) 伊拉克卡尔巴拉大学科学学院物理系 摘要

  
阿萨德·S·亚西尔(Assad S. Yasir)|努尔·J·里达(Noor J. Ridha)|菲拉斯·K·穆罕默德·阿洛斯富尔(Firas K. Mohamad Alosfur)|卡乌拉·J·塔赫尔(Khawla J. Taher)
伊拉克卡尔巴拉大学科学学院物理系

摘要

本研究利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM-EDX)和高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)等表征方法,研究了基于TiO2并含有ZnO、AgO和CuO的合成纳米复合材料的结构和形态特性。XRD结果显示,TiO2锐钛矿相是主要相,其晶粒尺寸为57纳米;此外还检测到了六方形的ZnO(39纳米)、立方形的氧化银(35.71纳米)和螺旋形的CuO(53纳米)。FESEM观察到颗粒呈球形聚集,粒径为72–232纳米,并具有多孔结构;EDX分析确认Ti和O是该纳米复合材料中的主要元素,同时含有微量的Ag、Cu和Zn。HRTEM技术显示TiO2纳米球具有核壳结构,表面覆盖有Ag/AgO、CuO和ZnO的薄层。这些结果证明了成功的接枝过程以及三种次要相在TiO2上的均匀分散,进一步凸显了TiO2在该纳米复合材料中的结构主导地位。本研究的意义在于制备了新型的TiO2核壳纳米复合材料,这种复合材料装饰有AgO、CuO和ZnO,有望在光催化等应用中展现出优异的性能。

引言

近年来,纳米材料因其优异的性能而受到广泛关注。这些性能主要归因于它们的形态学、化学、结构和电子特性[1]、[2]、[3]。众所周知,纳米颗粒的结构对其性能具有重要影响[4]、[5]。
目前已开发出多种方法来控制纳米材料的尺寸并调控其形态。其中,湿化学方法具有显著优势,如成本低、污染少且无需复杂设备。
通过调整纳米材料的尺寸、形状和组成等形态特征,可以改善其性能,这些特征可能涉及生物相互作用及相关应用,例如药物输送[6]。
例如,宽带隙壳层的核壳纳米结构可以限制电子-空穴复合,从而在核心内部产生势垒,进而提高荧光和量子效率等光学性能。另一方面,当金属元素作为壳层时,可以引发表面等离子体共振,增强传感、成像和光热治疗效果,因为这会增强电磁场[7]。这将有助于开发新的纳米技术策略,减少该领域的局限性[8]。
目前,核壳纳米结构的研究备受关注[9]。例如,研究人员通过改进量子点(QD)太阳能电池的核壳结构,使其开路电压(Voc)提高了64.30%,从而提升了光电学、太阳能电池[11]和光催化剂[12]等技术的性能[10]。此外,还有研究总结了基于金属氧化物(包括TiO2、ZnO、WO3、Fe2O3、BiVO4)的光电化学(PEC)水分解领域的最新进展[14]。
采用简单的两步化学工艺制备了分散良好的ZnO(核心)/Ag(壳层)纳米结构[15]。该方法为ZnO纳米颗粒的表面功能化提供了实用手段,并实现了Ag的精确调控涂层。ZnO:Ag杂化纳米结构中高效的金属-半导体界面显著增强了紫外发射[16]。
ZnO[17]、TiO2?-银(Ag)[19]、ZnO量子点[20]、TiO2纳米针[22]和铜(Cu)[23]等异质结构因其出色的光催化性能而具有重要意义,使其成为染料降解的理想化合物。将ZnO、TiO2、Ag和Cu等多种纳米材料结合使用,可以形成具有独特优势的多孔分层结构[24]、[25]。例如,Ag纳米颗粒具有抗菌性能,可防止生物污染并保持催化效率[26];Cu纳米颗粒则能增强电荷传输和电子存储能力[27],从而提升整体光催化效果[28]。
因此,这些化合物在废水处理中显示出降解RhB染料的潜力。采用溶胶-凝胶[29]、化学沉积[30]和水热[31]等多种方法制备纳米复合材料,可以精确控制纳米颗粒的形状、尺寸和分布,从而实现高效的光催化效果。此外,研究人员发现了稳定纳米复合材料的表面活性剂,防止其聚集并提高其稳定性,这对实际应用至关重要[32]、[33]、[34]。
最新研究表明,异质结构设计、缺陷生成和结构调控是提高半导体纳米材料性能的有效方法。采用这些方法处理的TiO2基光电电极性能得到了显著提升[35]。此外,CoMoO4基异质结构中的氧空位管理和稀土掺杂有效提高了光催化和电化学活性,因为它们促进了界面电荷的快速传输和更多活性表面的形成。表面活性剂辅助的制备技术也有助于制备具有更好形态控制和电化学性能的多孔纳米复合材料[36]、[37]。受这些发现的启发,本研究重点制备了具有优异结构和形态特性的TiO2基异质纳米颗粒,以满足多种功能需求。
本研究的创新之处在于通过简单步骤在低温下化学制备了TiO2/(AgO-CuO/ZnO)核壳异质结构。该异质结构的界面由TiO2纳米颗粒与Ag、Zn和Cu硝酸盐反应形成。本研究旨在制备并表征由TiO2、ZnO、CuO和AgO组成的多功能纳米复合材料,以改善其在多种纳米尺度应用中的结构和性能。

章节摘录

化学试剂

用于合成Ag-ZnO-CuO掺杂TiO2纳米结构的化学试剂如下:硝酸铜(Cu(NO3)2购自Sigma-Aldrich,硝酸锌(Zn(NO3)2购自PubChem,四氧化三钛(TTIP,98%)(Ti[OCH(CH3)24购自Acros Organics,硝酸银(AgNO3)购自Pub-Chem(美国)。所有化学品均未经纯化直接使用。

XRD分析

图2展示了制备的纳米复合材料的XRD结果,揭示了其详细的晶体结构特征。XRD图谱显示了不同晶面和晶格参数对应的特征峰,说明了纳米复合材料中各组分的晶体性质。TiO2组分的分析表明存在四方锐钛矿相,空间群为I 41/amd(JCPDS 96–901-5930),晶粒尺寸为57纳米。

结论

通过可控的溶胶-凝胶法成功制备了TiO2核壳纳米复合材料,其光催化性能得到提升。XRD结果显示TiO2为锐钛矿相,平均晶粒尺寸为57纳米。详细表征表明AgO、ZnO和CuO覆盖在TiO2表面,形成了核壳结构。FESEM分析显示,纳米复合材料的平均粒径为132纳米,具有较大的比表面积,从而提高了电荷分离效率。

作者贡献

所有作者均参与了研究的构思和设计。材料制备、数据收集与分析工作由努尔·J·里达(Noor J. Ridha)、菲拉斯·K·穆罕默德·阿洛斯富尔(Firas K. Mohamad Alosfur)和阿萨德·S·亚西尔(Asaad S. Yasir)完成。初稿由阿萨德·S·亚西尔撰写。所有作者都对稿件的各个版本进行了审阅并最终批准了最终版本。

CRediT作者贡献声明

阿萨德·S·亚西尔(Assad S. Yasir):负责撰写初稿。努尔·J·里达(Noor J. Ridha):负责撰写、审阅与编辑以及方法学研究。菲拉斯·K·穆罕默德·阿洛斯富尔(Firas K. Mohamad Alosfur):负责撰写、审阅与编辑。卡乌拉·J·塔赫尔(Khawla J. Taher):负责监督工作。

资金支持

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢卡尔巴拉大学提供的必要仪器和实验室设施。
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