摘要
氧化锌（ZnO）具有无毒、廉价、易制备、高催化活性等优点，在许多领域-特别是光催化领域-都有重要应用。在光催化方面，ZnO本身的一些特点，如带隙较宽、可见光响应差、光生电荷复合率高、不耐光腐蚀等，往往导致其光催化效果不佳。因此，对ZnO开展光催化性能的优化一直是人们的研究热点。能够调控ZnO光催化性能的因素有很多，其中微观形貌控制和离子掺杂的效果尤为明显。基于此，本文以ZnO为主体材料，从形貌控制和离子掺杂两个方面开展了系统的探索，着重研究了ZnO一维微纳米结构在衬底上的构筑及其用于光电化学分解水的光，催化性质，对ZnO液相化学生长的形貌控制机制和离子掺杂性能优化机制展开了讨论。具体工作如下： （1）In3+对ZnO生长形貌的影响及ZnO的光催化性质研究。利用水热法在涂有晶种层的氟掺杂氧化锡衬底上生长了以In3+为形貌控制剂的ZnO样品，研究了反应条件（反应时间、反应温度、热处理温度）和反应物的用量（Zn(NO3)2的浓度、六次甲基四胺的浓度、聚乙烯亚胺的浓度、In3+的加入量）和其它条件（晶种层）对ZnO的形貌结构的影响，对其生长机理进行了深入的探讨。研究发现，当反应温度为100℃、Zn2+浓度为0.1M、Zn2+与聚乙烯亚胺的摩尔比为1:0.1时，所制备的ZnO具有最好的的光催化性能，其光电化学分解水的光电流密度可达0.7mA/cm2（1.23Vvs.RHE）。 （2）采用水热法在涂有晶种层的氟掺杂氧化锡衬底上成功合成了纯ZnO和Y掺杂ZnO纳米棒阵列，系统地研究了Y的掺杂量、水热反应时间、水热反应温度以及热处理温度对ZnO形貌结构和光电化学分解水性能的影响。研究发现Y的掺杂可以有效提高材料的光催化性能。研究结果表明，当前驱体中Y掺杂量为6%、反应时间为5h、反应温度为95℃、热处理温度为400℃时，材料的光电流密度达到最大值，光电流密度为0.85mA/cm2（1.23Vvs.RHE），约为纯ZnO的2.8倍。在370nm处实现73%的入射光子-电流转换效率（IPCE），是原始ZnO的1.9倍。 （3）通过在前驱液中加入F，采用水热法在氟掺杂氧化锡衬底上生长了氟掺杂的ZnO纳米棒阵列。探究了前驱体溶液中F的掺杂量、水热反应时间、水热反应温度以及热处理温度对ZnO材料光催化性能的影响，优化了反应条件，并进行了光催化的相关测试，提出了F掺杂对提升ZnO材料光催化性能的原因。结果表明当前驱体中F掺杂量为6%、反应时间为3h、反应温度为95℃、热处理温度为450℃时，材料的光催化性能最优，光电流密度为0.79mA/cm2（1.23Vvs.RHE），约为纯ZnO的2.6倍。入射光子-电流测试结果表明，F掺杂的ZnO在330nm处IPCE高达75%，是原始ZnO的2倍以上。
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