zno基光催化剂的构筑及其光生电荷特性的研究
本文涉及的是光催化分解有机污染物，就是利用半导体吸收太阳光能使半导体产生空穴和光生电子，再让光生电子与水和氧气反应生成羟基自由基以此来分解有机污染物。实验中我们通过离子交换的方法和NaOH腐蚀的方法制备空心结构的ZnO，提高ZnO的比表面积。之后，以硝酸银作为银源，用硼氢化钠作为还原剂在ZnO的表面负载重金属Ag制备Ag/ZnO复合材料。利用重金属来对电子的吸引性来增长光生电子存在的时间并以此来增强ZnO的催化活性。通过改变Ag的负载量，对ZnO的光生电荷特性进行研究。关键词 半导体光催化剂，ZnO/Ag复合材料，空心结构，光催化分解有机物
目录
1 绪论 1
1.1 光催化反应 2
1.1.1 光催化现象 2
1.1.2 光催化分解有机污染物 2
1.1.3 光催化分解水 3
1.2 ZnO的性质 4
1.2.1 ZnO的基本结构 5
1.2 ZnO的应用 6
1.3 ZnO的合成方法 7
1.3.1 物理制备法 7
1.3.2 化学制备法 8
1.4 纳米ZnO研究目前所面临的困难 9
1.5 课题指导思想 9
2 实验部分 10
2.1 实验药品及仪器 10
2.2 实验步骤及流程 10
2.2.1 ZnO的制备 10
2.2.2 Na2S处理 11
2.2.3 碱化处理和空心ZnO的制备 12
2.2.4 ZnO/Ag 复合材料的制备 12
2.2.5 催化 13
2.3 样品性能与表征测试 13
2.3.1 紫外分析 13
2.3.2 扫描电子显微镜（SEM） 13
2.3.3 XRD 13
2.3.4 紫外漫反射 13
2.3.5 SPV 13
3 结果与讨论 14
3.1 ZnO的表征 14
3.1.1 对非空心ZnO的XRD表征 14
3.1.2 对非空 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
心ZnO形貌的表征 15
3.1.3 对空心ZnO形貌的表征 15
3.1.4 对于空心ZnO形貌的表征 16
3.2 ZnO/Ag的表征 17
3.2.1 ZnO/Ag在全光下光催化活性的评价 17
3.2.2 ZnO/Ag复合材料的紫外可见漫反射吸收分析 18
3.2.3 ZnO/Ag在可见光下光催化活性的评价 19
3.2.4 ZnO/Ag复合材料的光电活性测试 20
结论 21
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
人类的生活水平在科学技术的快速发展下得到了显著的提高，但与此同时，一个巨大的威胁—环境污染也变得愈加恐怖，这在无形中逼迫着人们把自己的视线放到环境污染治理上。
半导体光催化技术是一种新型的污染物降解技术，它催化降解有机污染物十分迅速，而且光催化剂可以循环使用，其主要是利用像CdS, SnO2, TiO2, ZnO, SiC, PbS, GaP, WO3等一些具有不连续的能带的半导体[1]。在1976年，John. H. Carey等首次在污染物降解的领域应用了光催化技术，他们在光照下用TiO2作为光催化剂对多氯联苯进行了光催化氧化降解，实验最后证明了TiO2很好的降解效果。大量的研究人员也随之开始在该领域投入大量精力进行了研究取得了许多惊人的成果。半导体催化技术的原理十分简单，半导体上的电子从光中吸收到能够跃迁的能量，电子就会从价带跃迁到导带上，成为光生自由电子，而价带原来电子所处的位置会形成一个空穴，空穴带正电荷，电子带负电荷，这就形成了电子空穴对，之后电子空穴对会和水和氧气反应，生成具有强氧化性的物质，能够分解有机污染物，这就是半导体光催化的基本原理。半导体光催化技术相比原有的治理污染的技术优点很多，首先半导体光催化技术不需要消耗任何的能量，只需要达到光照条件即可，其次，半导体光催化剂能够重复使用，经济实惠，最重要的是半导体光催化技术分解的最终产物为二氧化碳和水，无毒无害，对环境不会产生任何不良影响。这一切都体现了这一技术的优越性。
随着新时代的来临，快速发展的纳米材料技术，纳米半导体材料光催化技术也得到了飞速发展。通过不断改进纳米光催化剂的制备技术，如今，我们得到了与以往相比粒径更小，比表面积相较以前更大的纳米材料，而半导体光催化剂的量产化也成为了人们争相研究的热点课题，随着环境污染问题越来越严重，以前用来的治理环境的旧技术已经无法满足人们治理环境问题的需求，而半导体催化技术的成熟，纳米材料制备的难度的降低，使得纳米尺寸的半导体材料越来越火热，纳米尺寸的半导体材料其本身所具有的高催化活性，低能耗，污染小的特点吸引了一大堆科学家。
ZnO是一种可自激活的半导体材料，它的禁带在室温下较宽，激子束缚能较高，独特的光电性能使其得到了广泛的应用。纳米ZnO由于是纳米结构所以粒径比一般ZnO要大，催化活性十分优秀，而且接触面积增大后吸附污染物的能力也增强而且这也使得纳米ZnO拥有了作为载体的能力，这不仅大大增强了纳米ZnO的降解能力，也体现了这个材料背后巨大的潜力，因此，我们完全有理由相信在未来ZnO一定拥有这广阔的前景。
1.1 光催化反应
1.1.1 光催化现象
Fujishima和Honda等人探索把二氧化钛当作电极分解水时发现光催化现象[2]，根据植物光合作用的原理设计一个太阳光伏电池,在水中有一个铂电极和一个电子型半导体二氧化钛电极。二氧化钛电极和铂电极上都产生了气体，在二氧化钛电极处在波长低于415 nm的光照下，通过测定发现铂电极上生成的气体是氢气，二氧化钛电极上生成的气体是氧气。后经过研究发现，在光照下，以半导体二氧化钛作为阳极时能够产生了具有氧化还原能力的电子空穴对。二氧化钛能得到将太阳能转化为化学反应的能量，可以说二氧化钛半导体充当该反应的催化剂，在反应过程中，二氧化钛半导体以类似于一种媒介，在反应前后不发生任何变化，。经过大量的研究发现，在不加外电压，仅在光照下二氧化钛能使得水发生分解反应，光催化也开始发展起来。到目前为止，发现的如ZnO、BiVO4、WO3、Ta3N5等等能够光催化的物质基本上都是半导体材料，并且，以半导体材料为光电极的光电化学分解水的技术也开始快速发展。
目录
1 绪论 1
1.1 光催化反应 2
1.1.1 光催化现象 2
1.1.2 光催化分解有机污染物 2
1.1.3 光催化分解水 3
1.2 ZnO的性质 4
1.2.1 ZnO的基本结构 5
1.2 ZnO的应用 6
1.3 ZnO的合成方法 7
1.3.1 物理制备法 7
1.3.2 化学制备法 8
1.4 纳米ZnO研究目前所面临的困难 9
1.5 课题指导思想 9
2 实验部分 10
2.1 实验药品及仪器 10
2.2 实验步骤及流程 10
2.2.1 ZnO的制备 10
2.2.2 Na2S处理 11
2.2.3 碱化处理和空心ZnO的制备 12
2.2.4 ZnO/Ag 复合材料的制备 12
2.2.5 催化 13
2.3 样品性能与表征测试 13
2.3.1 紫外分析 13
2.3.2 扫描电子显微镜（SEM） 13
2.3.3 XRD 13
2.3.4 紫外漫反射 13
2.3.5 SPV 13
3 结果与讨论 14
3.1 ZnO的表征 14
3.1.1 对非空心ZnO的XRD表征 14
3.1.2 对非空 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
心ZnO形貌的表征 15
3.1.3 对空心ZnO形貌的表征 15
3.1.4 对于空心ZnO形貌的表征 16
3.2 ZnO/Ag的表征 17
3.2.1 ZnO/Ag在全光下光催化活性的评价 17
3.2.2 ZnO/Ag复合材料的紫外可见漫反射吸收分析 18
3.2.3 ZnO/Ag在可见光下光催化活性的评价 19
3.2.4 ZnO/Ag复合材料的光电活性测试 20
结论 21
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
人类的生活水平在科学技术的快速发展下得到了显著的提高，但与此同时，一个巨大的威胁—环境污染也变得愈加恐怖，这在无形中逼迫着人们把自己的视线放到环境污染治理上。
半导体光催化技术是一种新型的污染物降解技术，它催化降解有机污染物十分迅速，而且光催化剂可以循环使用，其主要是利用像CdS, SnO2, TiO2, ZnO, SiC, PbS, GaP, WO3等一些具有不连续的能带的半导体[1]。在1976年，John. H. Carey等首次在污染物降解的领域应用了光催化技术，他们在光照下用TiO2作为光催化剂对多氯联苯进行了光催化氧化降解，实验最后证明了TiO2很好的降解效果。大量的研究人员也随之开始在该领域投入大量精力进行了研究取得了许多惊人的成果。半导体催化技术的原理十分简单，半导体上的电子从光中吸收到能够跃迁的能量，电子就会从价带跃迁到导带上，成为光生自由电子，而价带原来电子所处的位置会形成一个空穴，空穴带正电荷，电子带负电荷，这就形成了电子空穴对，之后电子空穴对会和水和氧气反应，生成具有强氧化性的物质，能够分解有机污染物，这就是半导体光催化的基本原理。半导体光催化技术相比原有的治理污染的技术优点很多，首先半导体光催化技术不需要消耗任何的能量，只需要达到光照条件即可，其次，半导体光催化剂能够重复使用，经济实惠，最重要的是半导体光催化技术分解的最终产物为二氧化碳和水，无毒无害，对环境不会产生任何不良影响。这一切都体现了这一技术的优越性。
随着新时代的来临，快速发展的纳米材料技术，纳米半导体材料光催化技术也得到了飞速发展。通过不断改进纳米光催化剂的制备技术，如今，我们得到了与以往相比粒径更小，比表面积相较以前更大的纳米材料，而半导体光催化剂的量产化也成为了人们争相研究的热点课题，随着环境污染问题越来越严重，以前用来的治理环境的旧技术已经无法满足人们治理环境问题的需求，而半导体催化技术的成熟，纳米材料制备的难度的降低，使得纳米尺寸的半导体材料越来越火热，纳米尺寸的半导体材料其本身所具有的高催化活性，低能耗，污染小的特点吸引了一大堆科学家。
ZnO是一种可自激活的半导体材料，它的禁带在室温下较宽，激子束缚能较高，独特的光电性能使其得到了广泛的应用。纳米ZnO由于是纳米结构所以粒径比一般ZnO要大，催化活性十分优秀，而且接触面积增大后吸附污染物的能力也增强而且这也使得纳米ZnO拥有了作为载体的能力，这不仅大大增强了纳米ZnO的降解能力，也体现了这个材料背后巨大的潜力，因此，我们完全有理由相信在未来ZnO一定拥有这广阔的前景。
1.1 光催化反应
1.1.1 光催化现象
Fujishima和Honda等人探索把二氧化钛当作电极分解水时发现光催化现象[2]，根据植物光合作用的原理设计一个太阳光伏电池,在水中有一个铂电极和一个电子型半导体二氧化钛电极。二氧化钛电极和铂电极上都产生了气体，在二氧化钛电极处在波长低于415 nm的光照下，通过测定发现铂电极上生成的气体是氢气，二氧化钛电极上生成的气体是氧气。后经过研究发现，在光照下，以半导体二氧化钛作为阳极时能够产生了具有氧化还原能力的电子空穴对。二氧化钛能得到将太阳能转化为化学反应的能量，可以说二氧化钛半导体充当该反应的催化剂，在反应过程中，二氧化钛半导体以类似于一种媒介，在反应前后不发生任何变化，。经过大量的研究发现，在不加外电压，仅在光照下二氧化钛能使得水发生分解反应，光催化也开始发展起来。到目前为止，发现的如ZnO、BiVO4、WO3、Ta3N5等等能够光催化的物质基本上都是半导体材料，并且，以半导体材料为光电极的光电化学分解水的技术也开始快速发展。
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