摘 要

ZnO因其无毒、成本低、降解效率高等优点使其在光催化降解污染物领域成为研究热点。由于ZnO是宽带隙半导体，对光的吸收范围主要是在紫外光区域，而CdS是窄带隙半导体，ZnO与CdS所形成异质结构的复合半导体能拓宽ZnO的光响应范围，从而提高ZnO的光催化性能。因此，本文对ZnO纳米晶及其ZnO/CdS复合纳米薄膜的光催化性能进行了研究。

采用低温溶液法合成ZnO纳米晶，研究水/甲醇的体积比对所合成的ZnO纳米晶形貌的影响、生长机理和紫外-可见吸收光谱以及不同形貌的ZnO纳米晶对亚甲基蓝的光催化降解率的影响。实验结果表明，随着水/甲醇的体积比的增加，所合成的ZnO纳米晶的形貌分别为纳米颗粒、纳米锥、纳米棱台和纳米片，其紫外吸收边分别约为391 nm，406 nm，422 nm，408 nm。不同形貌的ZnO纳米晶对亚甲基蓝的光催化降解率的大小依次为：ZnO纳米片gt;ZnO纳米锥gt;ZnO纳米颗粒gt;ZnO纳米棱台。ZnO纳米晶的光催化性能与其(0001)暴露晶面面积密切相关，（0001）晶面暴露面积越大，则对亚甲基蓝光催化降解率越高。ZnO纳米片（0001）暴露晶面最大，其对亚甲基蓝光催化降解率最大。

采用连续离子层吸附反应法（SILAR）将CdS量子点敏化到四种不同形貌的ZnO纳米晶上制备ZnO/CdS复合纳米薄膜，研究不同形貌的ZnO/CdS复合纳米薄膜的紫外-可见吸收光谱和对亚甲基蓝的光催化降解率的影响。实验结果表明，吸附CdS量子点后，ZnO纳米颗粒的吸收边由391 nm扩展到487 nm，ZnO纳米锥的吸收边由406 nm扩展到478 nm，ZnO纳米棱台的吸收边由422 nm扩展到538 nm，ZnO纳米片的吸收边由408 nm扩展到532 nm，ZnO/CdS复合纳米薄膜的光谱响应范围从紫外扩展到可见光范围。ZnO/CdS复合纳米薄膜对亚甲基蓝的光催化降解率的大小为：ZnO纳米棱台/CdSgt;ZnO纳米颗粒/CdSgt;ZnO纳米片/CdSgt;ZnO纳米锥/CdS，但与纯ZnO纳米晶光催化降解率相比有所降低。

关键词：ZnO；纳米晶；暴露晶面；CdS；光催化

Abstract

ZnO has become a hot research for its non-toxic nature, low cost and high efficiency in the field of photocatalysis. Additionally, Because of the wide-band semiconductor, the absorption range of ZnO is mainly in ultraviolet region. However, ZnO sensitized CdS which is narrow-band gap can form the semiconductor heterostructure to broaden the scope of light response of ZnO, thus improving the photocatalytic properties. Therefore, the paper is composed of the following two parts for ZnO nanocrystals and ZnO/CdS composite thin film.

Several kinds of ZnO nanocrystals have been synthesized via a facile solution method. The shape, growth mechanism and UV-Vis of ZnO have been affected by the volume ratio of H₂O to methanol. And the photocatalytic degradation rates of methylene blue of ZnO nanocrystals have been studied. The results show that with the increasing of the volume ratio of H₂O to methanol, the morphologies of ZnO were gradually varied from nanoparticle, nanocone， nanoprismoid to nanosheets. The absorption edges of ZnO are respectively about 408 nm, 451 nm, 434 nm, 453 nm. And the orders of degradation rates of MB are nanosheet, nanocone, nanoparticle, and nanoprismoid. What’s more, Photocatalytic properties of ZnO are closely related to its exposed facets. And the lager areas of exposed (0001) facets are, the higher degradation rate of MB is. It is demonstrated that ZnO nanosheets with a high dominant (0001) facet population show the best photocatalytic performance among the samples.

CdS quantum dots were assembled onto different shapes of ZnO by the successive ionic layer adsorption and reaction method (SILAR). UV-Vis is used to character the properties of ZnO/CdS composite thin film. And the photocatalytic degradation rates of MB of ZnO/CdS have been studied. The results indicate that the deposition of QDs has extended the photoresponse of ZnO nanocrystals into the visible light region. It is also noteworthy that the absorption edges are ca.408 nm for ZnO nanoparticles, ca.451 nm for ZnO nanocones, ca.434 nm for ZnO nanoprismoids, ca.453 nm for ZnO nanosheets, ca.507 nm for ZnO nanoparticles/CdS, ca.499 nm for ZnO nanocones/CdS, ca.584 nm for ZnO nanoprismoids/CdS, ca.580 nm for ZnO nanosheets/CdS. Besides, the orders of degradation rates of MB are ZnO nanoprismoids/CdS, ZnO nanosheets/CdS, ZnO nanoparticles/CdS, ZnO nanocones/CdS. Compared to pure ZnO nanocrystals, the photocatalytic degradation rate of MB decreased after ZnO nanocrystals were sensitized by CdS QDs.

Keywords：ZnO；nanocrystals；exposed facets；CdS；photocatalysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 ZnO半导体的结构和基本性质 1

1.2.1 ZnO半导体的结构 1

1.2.2 ZnO半导体的基本性质 2

1.3 ZnO纳米晶的合成方法 2

1.3.1 水热法 3

1.3.2 溶剂热法 3

1.3.3 低温溶液法 4

1.4 ZnO纳米晶的光催化性能研究 4

1.4.1 ZnO纳米晶的光催化原理 4

1.4.2 影响ZnO纳米晶光催化性能的因素 6

1.4.2.1 ZnO纳米晶形貌的影响 6

1.4.2.2 ZnO纳米晶晶粒尺寸的影响 6

1.4.2.3 ZnO纳米晶缺陷的影响 6

1.5 本课题研究的目的、意义和内容 7

第2章 ZnO纳米晶及其薄膜制备 8

2.1 引言 8

2.2 实验过程 8

2.2.1 实验试剂 8

2.2.2 ZnO纳米晶的制备 8

2.2.3 ZnO薄膜的制备 9

2.2.4 表征方法 10

2.2.4.1 X射线衍射分析(XRD) 10

2.2.4.2 场发射扫描电镜(FE-SEM) 10

2.2.4.3 紫外-可见光谱分析(UV-Vis) 10

2.3 实验结果与讨论 10

2.3.1 XRD分析 10

2.3.2 SEM分析 13

2.3.3 ZnO生长机理 15

2.3.4 紫外-可见吸收光谱分析 16

2.4 本章小结 17

第3章 ZnO纳米薄膜光催化性能研究 18

3.1 引言 18

3.2 实验过程 19

3.2.1 ZnO纳米薄膜对亚甲基蓝的光催化降解性能 19

3.2.2 ZnO/CdS复合纳米薄膜的制备 19

3.2.3 ZnO/CdS复合纳米薄膜对亚甲基蓝的光催化降解性能 19

3.3 实验结果与讨论 20

3.3.1 ZnO纳米薄膜对亚甲基蓝的光催化降解性能 20

3.3.2 光催化后ZnO纳米薄膜的表征分析 21

3.3.3 ZnO/CdS复合纳米薄膜的紫外-可见吸收光谱分析 22

3.3.4 ZnO/CdS复合纳米薄膜对亚甲基蓝的光催化降解性能 23

3.4 本章小结 25

第4章 结论 26

参考文献 27

致谢 30

第1章 绪论

1.1 引言

随着科学技术的迅速发展，人们对事物的研究由宏观转向微观，从微米时代逐渐进入纳米时代。早在1959年，美国著名物理学家查德·费曼(Richard Feynman)就提出了纳米技术的思想。自20世纪90年代以来，纳米技术迅速成为一门新兴技术，并且渗透到各领域，成为全球生物、化学、材料等学科的研究热点，这将会掀起一场新的科技革命，给社会的发展以及人们的生活带来巨大的变化。

纳米(nanometer)是一个长度单位，1 nm=10^-3 m=10^-9 m，一般将材料在一维、二维或三维方向上的尺寸分布在1~100 nm范围内的称为纳米材料。纳米材料不仅仅是由于它的尺寸小而引起广泛的关注，更重要的是与传统的体材料相比，它具有特有的小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应、库伦阻塞效应，这些纳米材料的特性使其在电、磁、光、热力学等方面表现出优异的性能，因此纳米材料被广泛的应用到电子器件、生物医药、化学化工、航空航天等领域。随着人们对纳米材料的设计与制备、表征分析、性能测试以及加工成型等方面的深入研究，将其应用领域进一步拓展，使其将会成为21世纪最有前途的材料。

1.2 ZnO半导体的结构和基本性质

1.2.1 ZnO半导体的结构

图1.1 ZnO半导体的结构