论文总字数：19425字

摘 要

随着能源问题与环境问题的日益严峻，如何解决这两个问题已经成为了科研人员进行研究的重中之重，光催化剂（通过接受光子的刺激起到催化降解作用的材料）的出现使人们看到了曙光。伴随着光催化剂的兴起，具有优越光催化性能的纳米ZnO材料越来越受科研人员的关注。ZnO的晶格常数为a=0.32533nm，b=0.52073nm，其晶格结构为六方纤锌矿结构。ZnO具有宽禁带（约为3.27eV)、高激子结合能（约60meV)以及高电子迁移率（约200cm^-2V^-1s^-1），使得其具有优越的光催化性。

本论文采用直接一步水解法合成纳米ZnO粉体，并对其进行性能表征，再通过紫外光照射来研究催化剂浓度、反应物浓度以及催化温度对纳米ZnO光催化性的影响。结果表明，催化剂浓度、反应物浓度以及催化温度对纳米ZnO光催化性均有重大影响。

关键词：ZnO 光催化 水解法 影响因素

The preparation of nanometer ZnO materials and research of photocatalytic performance

Abstract

The growing problems of energy and environment along with the rapid development of industry，have become the key issues for study to many researchers. We do see some encouraging signs from photocatalyst, a catalysis accepting the photon stimulation.With the rise of photocatalyst, a nanometer ZnO materials with superior photocatalytic performance has attracted more and more attention by researchers.The lattice constant of ZnO is a=0.32533nm，b=0.52073nm in structure of hexagonal wurtzite.ZnO has a strong catalytic for its wide-band gap(about 3.27eV) , high excition binding energy(about 60meV) and high electron mobility(about 200cm^-2V^-1s^-1) .

This paper adopts one-step hydrolysis to compound ZnO powder, carries on the performance characterization, explores the catalyst concentration, concentration of reactants and temperature on the impact of nanometer ZnO photocatalytic by UV-irradition. The results showed that the catalyst concentration, concentration of reactants and temperature have a significant impact on the nanometer ZnO photocatalytic.

Key Words: ZnO; Photocatalysis; Hydrothermal; Influencing factor.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 纳米ZnO的结构特点 2

1.3 纳米ZnO的性质 2

1.3.1 压电性 2

1.3.2 气敏性 3

1.3.3 金属掺杂敏化 3

1.3.4 光催化性 3

1.4 纳米ZnO材料的制备方法 4

1.4.1 液相合成法 4

1.4.2 气相合成法 4

1.4.3 固相合成法 5

1.5 纳米ZnO材料的性能表征 5

1.6 纳米ZnO材料作为光催化剂的研究现状 5

1.7 ZnO材料的发展及应用 6

1.8 本论文的研究意义和实验方法 7

第二章 纳米ZnO材料的制备及性能表征 8

2.1 纳米ZnO材料的制备 8

2.1.1 实验中纳米ZnO材料制备方法的选择 8

2.1.2 制备材料选择、装置选择及实验条件 8

2.1.3 制备步骤 9

2.2 纳米ZnO材料的性能表征及结果分析 10

2.2.1 纳米ZnO材料的物相分析 10

2.2.2 纳米ZnO材料的形貌分析 11

2.2.3 纳米ZnO材料的紫外-可见光吸收光谱 12

第三章 纳米ZnO材料的光催化性能的研究 13

3.1 光催化试验研究对象的选择 13

3.3 ZnO浓度对其光催化性能的影响 14

3.3.1 实验操作步骤 14

3.3.2 结果讨论 15

3.4 甲基橙浓度对ZnO光催化性能的影响 16

3.4.1 实验操作步骤 16

3.4.2 结果讨论 17

3.5 反应温度对ZnO光催化性能的影响 18

3.5.1 实验操作步骤 18

3.5.2 结果讨论 18

第四章 工作总结与展望 21

4.1 论文总结 21

4.2 展望 21

参考文献 22

绪论

1.1 引言

在人类文明的发展进程中，尤其是近几个世纪的人类发展，能源的消耗与再生（煤炭、石油的消耗等）已渐渐无法实现自循环。与此同时，伴随人类发展接踵而来的环境污染（雾霾、水资源污染）也在日趋严重。人类发展、能源可持续、环境污染这三者的关系相关联又相矛盾，因而当前学者的重任是如何找出一种友好解决这三者关系的方案。在这之中，光催化材料逐渐展开头角。对光催化材料的研究表明^[1-4]，光催化材料可以利用光照将太阳能转化成化学能，为能源的再生提供了一条新的途径；与此同时，光催化材料在光照条件下可以将有机物催化降解，这是解决环境污染的良好途径。

1972年，Fujishima^[5]（藤岛）在研究半导体材料的过程中，发现在TiO₂电极上有水光催化分解的进行，这一发现成为科学史上第一次有记载的关于光催化的记录；1977年，Yokota（横田）T等在实验中发现了在光照条件下，环炳环在TiO₂催化作用下发生了氧化反应，表明了光照条件下TiO₂对环炳环起到了光催化作用，这一实验现象使学者们意识到半导体材料作为光催化剂使用可以再环境治理等方面起到重大作用；21世纪以来，随着科学家们对光催化技术的不断研究、探索，光催化剂的重要性得到认可，其特有的性质在环境治理、医疗卫生和工业生产中发挥了极大地作用，光催化剂的发展前景非常乐观^[6]。

光催化可以在空气中和水中将有机污染物降解，是一种很有前途的解决环境问题的技术^[7]。在各种半导体中，金属氧化物例如ZnO和TiO₂基于它们适合的能带、高光催化活性以及稳定性，作为光催化剂已经被广泛研究^[8]。在科学家们的实验中发现：氧化锌具有更大的禁带（3.37 eV对比于TiO₂的3.2eV），结构简单，易结晶，各向异性生长，高激子结合能（60meV对比于TiO₂的4mwV）和高电子迁移率（200cm^-2V^-1s^-1对比于TiO₂的30cm^-2V^-1s^-1）给它比二氧化钛更多的优势^[9,10]。因此，相较于其他常见的光催化材料，纳米氧化锌具有非常好的应用前景。

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