Zn2GeO4纳米晶的合成、性质与应用

Zn2GeO4纳米晶的合成、性质与应用

程宗浩1,张鑫茹1,周星1,杨智超1,邱方与1,李欣1,董恩来2,陈双龙1

1 渤海大学，物理科学与技术学院，锦州，辽宁，130012

2渤海大学， 化学与材料工程学院，锦州，辽宁，130012

摘要

Zn2GeO4纳米晶展现出优异的物理化学性质并在多个领域有潜在应用。近年来，该材料受到科研人员越来越多的关注。本文报道Zn2GeO4纳米晶的合成、性质和应用方面取得的最新进展。相关研究为设计性能可调节的、功能化的新型纳米材料提供了新的见解，对实现其应用至关重要。

引言

Zn2GeO4(ZGO)纳米晶属于菱方相，空间群R-3，是一种n型宽带隙(~4.4eV)半导体材料[1]。由于其优异的功能特性，在多个领域有潜在应用。早在七十多年前，就有关于ZGO的报道[2]。然而，尽管人们对ZGO的研究已有几十年的历史，但是该材料的物性仍没有被深入认识。目前，人们能够利用多种合成方法获得ZGO并实现颗粒尺寸、组份、形貌和内部缺陷的调控。与此同时，ZGO的物性得到调节，可适用于催化、锂离子电池、生物医药、传感和电子信息等领域。基于众多的研究报道，本文主要介绍了ZGO的合成、性能和应用的进展。

合成条件对半导体材料的性能有重要影响。因此，通过不同方法制备的同种材料可能表现出完全不同的理化性质。常见的合成ZGO材料的方法主要有静电纺丝法，化学气相沉积法和水热法。

静电纺丝法是一种备受欢迎的制备尺寸可调节的一维材料的方法。该种方法被广泛应用于科研院所和工厂。有文献报道，利用静电纺丝法制备出的ZGO具有优异的电化学性能（电导率和高电容量）。宋等报道了利用静电纺丝方法成功合成具有不同程度缺陷的一维ZGO结构[3]。在该研究中，将适量的聚乙烯基吡咯烷酮加入到90℃的二氧化锗和硝酸锌的水溶液中，并搅拌6小时。然后将混合溶液加入到静电纺丝喷头中。选用25号喷嘴保持溶液流速为0.5mLh-1。喷头尖端和电流收集器间的距离保持15cm并将电压调节到16.0kV。所获得的ZGO展现出546mAhg-1的电容量，明显高于石墨烯372mAhg-1的电容量值。Ge和Zn原子都均匀分布在富氧的ZGO结构中，这确保了优异的电导性和高度的锂存储性能。

化学气相沉积方法是将低熔点物质在高真空腔体中加热使其挥发，最后产物沉积在固定于腔体侧壁的基底上。可通过该方法精确控制多功能材料的形貌。曹等提出通过化学气相沉积方法实现ZGO/ZnO异质节纳米线的轴向生长[4]。这种异质结构展现出典型的二极管效应。在另一项研究中，闫等研究了三元ZGO纳米线的结构构造。化学气相方法获得的纳米结构主要是由气-液-固和气-固两个生长机制产生的[5]。

在多种溶剂基合成方法中，水热反应被认为是在低温下获得大产量亚稳定ZGO的最有效方法。另外，此方法所获得的产物有高度结晶性。水热合成条件，比如超饱和、温度、溶剂和前驱物，都能够影响产物生长行为，以使晶体尺寸和形貌得到控制。最近，由于微波辐射法可在短时间制备出特定形貌和尺寸的纳米材料，该法被广泛地用于合成ZGO基材料。特别地，金属离子掺杂的ZGO纳米材料也得到相当多的关注。Suzuki等报道了微波辅助水热合成锰掺杂的ZGO纳米材料[6]。首先，将反应物水溶液混合并在微波下加热，然后保证反应物在可控的压力和温度下反应特定时间。在微波辅助条件下，140℃反应10min可得不同锰离子浓度的ZGO材料。掺杂的锰离子可以替代晶格中同价态的锌离子。Li等研究发现，在紫外光线或低能电子激发下，锰掺杂的ZGO具有足够高的绿光发射强度和优异的色度值[7]。何等报道通过简单的水热方法绿色合成Eu3+掺杂ZGO纳米棒。研究结果表明，Eu3+的浓度可以调节纳米结构的形貌和ZGO发光特性。随着Eu3+掺杂浓度变大，ZGO的发射光强度增加至最大，发射波长红移。同时，ZGO的形貌从纳米棒到米状结构再到准纳米球转变[8]。调节Eu2+（蓝绿光）和Eu3+（橙红光）可以获得最佳的白光发射。未掺杂的ZGO内部存在缺陷，能够发射宽蓝白光。因此，向ZGO主体里掺Eu3+是一种获得白光发射的便捷方法。

最近，ZGO与其它半导体材料形成的异质结构的研究也得到广泛关注。闫等发现BiOI/ZGO复合材料展现出对可见光的强吸收能力，对降解双酚A有重要的提升[9]。侯等发现CdS纳米颗粒修饰的ZGO纳米棒在可见光照射下具有优异的分解水产氢的性能[10]。刘等指出高质量的ZGO纳米线与二元氧化物ZnO相比有优越的紫外光探测性能，可用于制造高性能的紫外光探测器[11]。Zn2GeO4/ZIF-8杂化纳米棒的二氧化碳吸附能力比ZGO纳米棒提高3.8倍[12]。由于Ge相对高的理论比容量和高电导率，Ge和其氧化物可作为高能电极材料。g-C3N4对锂离子吸附和扩散有益，g-C3N4/ZGO复合材料可被用于锂离子电池的研发

[13]。ZGO基纳米晶能够有效地缓解急性炎症，在生物医药领域也有潜在应用[7]。

结论和展望

科学技术的进步和新型功能化材料的开发是密不可分的。可控合成具有优异理化特性的纳米材料必然驱动未来新技术的发展。不同的尺寸、形貌和组份宽带隙半导体ZGO基纳米材料在众多科技领域有潜在应用前景，这激励着科研工作者投入到ZGO基材料的探索中。

参考文献

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[13]Li X, Feng Y, Li M et al. Adv. Funct. Mater. 2015, 25:6858-6866.

 姓名：程宗浩（2001.06--）；性别：男；民族：汉族；籍贯：安徽淮北；学历：本科，就读于渤海大学；