高分子/ZnO复合纳米纤维有序阵列材料的制备及其光发射特性研究

ZnO是一类重要的光电信息功能材料，探索降低ZnO的缺陷、提高其紫外光发射效率、以及实现该类材料的分子有序定向化是ZnO材料研究领域的重要前沿课题。本项目从材料的设计合成入手、采用多种实验技术手段结合静电纺丝技术，制备高分子/ZnO复合纳米纤维及其有序阵列材料；研究材料制备的各种过程因素对其微观结构及其光发射特性的影响；研究具有不同结构的高分子与ZnO之间的相互作用机制，研究其表面钝化效应、异质界面效应、量子限域效应，寻求高效紫外光发射材料；研究高分子/ZnO复合纳米纤维阵列材料的分子有序定向化以及由此引起的定域环境和界面构型的变化对ZnO激子发光动力学过程的影响，获得具有低界面缺陷和高效紫外光发射特性的有序阵列材料。该项目的研究，将为进一步研发ZnO基新型纳米光电功能材料与器件提供实验依据。

通过分子自组装、原位合成、溶胶-凝胶、静电纺丝等多种技术手段相结合的方法，制备了PVP/ZnO、PAN/ZnO、PMMA/ZnO等复合纳米纤维材料，实现了对其发光性能的有效调控，获得了具有高效紫外发射特性的polymer/ZnO复合纳米纤维材料。研究发现，高分子侧链上的官能团（如C=O, -OH,-COOH,-CN等）可以有效钝化ZnO表面的悬挂键，降低与表面缺陷相关的可见发光强度，提高其紫外发光特性。对于不同的高分子材料，结构的差异导致钝化程度和发光特性有所不同。纺丝电压的提高有利于ZnO纳米粒子的分散，同时有利于对ZnO表面悬挂键的钝化，从而降低与表面缺陷相关的可见光发射，提高其紫外发光效率。. 通过溶胶-凝胶和静电纺丝技术，结合水热溶剂热及软化学方法，设计构建了SnO2/ZnO、NiO/ZnO、SiO2/ZnO、TiO2/ZnO/Au等ZnO基复合异质结纳米纤维光催化材料。利用其纳米异质结构提高了光生电子与空穴的分离效率，使其在紫外光照射下具有良好的光催化活性，其光催化能力均高于纯的ZnO纳米纤维。同时，由于其一维纳米结构特性使其具有良好的可回收利用和重复使用性能。. 以电纺碳纳米纤维网毡（CNFs）和TiO2纳米纤维为基体，构筑了具有三维开放特征的CNFs/ZnO等以及TiO2/Bi4Ti3O12等异质结微纳结构材料。通过改变反应条件，实现了对二次生长的纳米结构材料的形貌、微观结构的有效调控；通过异质结材料体系的构筑，提高了光生电子-空穴对的分离效率和光催化效率；其一维结构或多级结构特征、高比表面等优点，使其具有高的光催化活性的同时又具有良好的可分离和重复使用性能。. 上述研究成果，将为开发ZnO基新型纳米光电功能材料与器件，设计与纳米材料的表/界面态以及维度等特性直接相关的多种新型复合材料，构建具有光催化、催化、敏感、光电等功能特性的复合结构提供重要实验依据。在包括Chem. Commun.、J. Mater. Chem.、Nanoscale、J. Phys. Chem. C、Langmuir等杂志上发表SCI论文19篇，影响因子均在3.0以上，SCI他人引用250余次，两篇论文被选为ESI高被引论文。