1.2.2ZnO的物理性质

ZnO是白色六方晶系结晶或粉末。无味、质细腻。溶于酸、氢氧化钠、氯化铵，不溶于水、乙醇和氨水ZnO具有较高的化学稳定性和热稳定性，当它在室温禁带宽度约为3.37eV时，对紫外光响应，为直接带隙。能以带间直接跃迁的方式获得高效率的辐射复合，是一种理想的短波长发光器件材料。

1.2.3ZnO光催化的反应机理

国内外研究最多的光催化剂是金属氧化物及硫化物，如TiO2、ZnO、Bi2O3等。其中ZnO因无毒、成本低被广泛应用于光催化。在实际应用中，还对ZnO进行了改性测试，方法主要有：贵金属（Ag、Pt、Pd、Nd）表面沉积、金属掺杂（包括过度金属掺杂、稀土金属掺杂）、非金属掺杂（目前非金属掺杂主要限于氮的掺杂）、半导体复合等。这些方法主要是在半导体中引入杂质或缺陷位置，提高对导带电子的俘获能力，阻止光生电子—空穴的复合，提高光催化效率。

ZnO光催化作用原理如图1-2所示。在适宜的波长光照条件下，价带中的电子会受到激发，从价带跃迁到导带,即发生带间跃迁，从而在导带上产生光生电子(e-)，并在价带上形成空穴(h+)。电子和空穴都可以转移到ZnO表面。当存在合适的表面缺陷或者俘获剂时，就会很大程度上抑制了电子和空穴在ZnO表面重新复合，否则就会以发光和发热等的形式放出能量。半导体表面吸附的OH-基团，水分子，以及有机物都可以充当空穴俘获剂。吸附在ZnO纳米颗粒表面的溶解氧俘获光生电子生成超氧负离子，而空穴将吸附ZnO纳米颗粒表面的水和氢氧根自由基反应生成羟基自由基。而超氧负离子和羟基自由基具有很强的氧化性，能将绝大多数的有机物氧化为水和CO2等小分子化合物，甚至彻底分解一些无机物[7]。

图1-2ZnO光催化基本原理图

1.2.4ZnO光催化的影响因素及发展

影响ZnO光催化的主要因素有很多，比如催化剂本身的性能、受光催化实验条件限制等因素。其中可以通过调整制备过程中的条件来制备不同形貌的ZnO材料，迄今为止，已有多种制备ZnO纳米材料的技术问世，并成功实现数种不同形貌ZnO材料的可控制备；也可以通过改变光催化实验中的参数来提高制备出的ZnO材料的光催化效果。以下为几种影响光催化效果的因素的简单介绍：

（1）催化剂实验表明，有无催化剂对光催化影响的效果差别最大，然而，催化剂的用量也不是越多越好，一般光催化效果会随着催化剂的用量增多而变好，原因在于产生的光生电子及空穴的数量随催化剂的增多而变多，但是当增加到一定程度之后，光生电子及空穴的数量就会趋近饱和值，再继续加催化剂，就会致使溶液的浑浊度增加进而对光产生遮蔽作用，光催化效果只会越来越差。同时，过量的催化剂也会导致催化剂对的比表面积减小。因此，只有适量情况下加入一定的催化剂，光催化的效果才会达到最佳。

（2）光源光源对光催化实验的影响主要表现在两个方面，第一个是光源的波长范围，受能带禁带宽度(ZnO禁带宽度3.37eV)的影响，ZnO价带上的电子只能被波长小于368nm区间的光所激发。因此，ZnO光催化实验所使用的光源大多为紫外线灯以及高压汞灯。第二个就是光源的光照强度，材料表面受到照射的光子才会越多，即表面会产生更多的电子-空穴对，光催化实验的催化效果也就越好。

（3）晶粒大小

大量的研究表明，ZnO晶粒尺寸对光催化效果的影响主要是：随着其晶粒尺寸的减小，溶液中单位质量的ZnO粒子数目也就越多，体系的比表面积也就越大，有利于对光的吸收。再着，晶粒尺寸的减小有利于提高材料表面空穴和光生电子的移动速度，从而提高光催化实验的反应速率。而比表面积的大小是决定反应物的吸附数目和活性点多少的因素。比表面积越大，材料表面吸附反应物的性能越强大，活性点的数目也就越多，发生反应的几率也随之大大提高，即提高光催化活性。