寻找清洁能源和解决环境污染,是我们在新世纪所面临的两大难题。其中在环境污染方面,现在的污染程度已经远远地超越了环境自清洁能力的上限。近年来,半导体光催化在水污染处理上表现突出。半导体光催化是一种“绿色化学法”,一直处于环境治理研究的前沿。它的优点是效率高、成本低、选择性广泛、反应温度需求低、能源需求小以及对污染物降解彻底等。在众多半导体光催化材料中,ZnO材料的应用最为广泛,这是因为ZnO生产工艺简单、成本低、形貌多样、量子效率高、光催化活性强并且生物兼容性好。但是ZnO光催化剂距离规模化应用还存在一些技术瓶颈,比如继续简化工艺、降低成本、进一步的提高光催化活性以及简化催化剂回收工艺。本论文将针对这些问题进行展开和研究。(1)虽然现在的Zn O生产工艺已经很简单,生产成本也已经很低,但是考虑到目前环境污染范围广,程度重,将来ZnO光催化剂需求量会远远超出现有的生产量。怎样继续简化工艺和降低成本,也就成为ZnO光催化剂走出实验室,迈入市场前所必须跨越的一个门坎。在实验中,使用水热法,通过控制反应时间,制备了4种表面形貌不同的ZnO薄膜。我们采用的一步水热合成法工艺简单、原料需求低、成本低廉并且完全绿色环保,合成中除了使用锌片来提供Zn源,不需要使用其他任何化学药品。在样品制备后,借助一些测试表征手段,研究了样品的结构、形貌和光学性能,并且进一步的提出了不同表面形貌ZnO薄膜的生长机理。光催化测试结果发现,不同的ZnO薄膜光催化性能差异很大。通过总结分析,形貌以及光学性质是影响样品光催化活性的主要原因。(2)为了找到光催化活性更高的ZnO材料,为ZnO的商业化应用做准备,需要研究ZnO形貌与光催化性能之间的联系。本部分使用水热法,通过在反应溶液里添加不同种类的表面活性剂,并调节其使用浓度,分别制备了5种不同形貌的ZnO纳米结构,其中包括尺寸不同的ZnO纳米颗粒和ZnO纳米片。通过测试表征,研究了样品的结构和光学性能。其中尺寸小且表面较粗糙的ZnO纳米颗粒,表面氧缺陷浓度更高。这几个因素导致相应样品的光催化活性更高。(3)为了在实际应用中实现ZnO光催化剂的高效快捷分离回收,降低使用成本,我们将ZnO纳米粒子和磁性的Fe3O4复合。在实验中,通过简单的两步化学法,制备了Fe3O4@ZnO核壳纳米粒子。这种核壳纳米粒子在RhB的光降解反应中,不仅拥有高的催化活性,而且能够借助外加磁场的作用方便高效地从溶液中分离回收。另外,多次循环光催化实验也证明这种核壳光催化剂的化学稳定性很好。(4)为了进一步的提高核壳光催化剂的催化活性,并且防止磁核的化学腐蚀。我们以磁性Fe3O4微米球作为模板,采用逐层沉积的方法制备了一种新型的Fe3O4@SiO2@ZnO/Ag核壳微米结构,并对所制备样品的形貌、组成以及磁学性能进行测试表征和研究分析。光催化测试表明,Ag的负载有利于提高核壳光催化剂的催化活性,这是因为Ag的负载会降低核壳结构上光生电子-空穴对的复合几率。另外,Fe3O4@SiO2@ZnO/Ag核壳光催化剂在催化反应后,能够借助磁铁的作用便捷的从溶液中分离。光催化降解循环实验证明Fe3O4@SiO2@ZnO/Ag核壳光催化剂具有较高地化学稳定性。(5)为了实现多层核壳光催化剂的可见光催化,实验中同样以磁性Fe3O4微米球作为模板,将多种功能组分整合到一种海胆状Fe3O4@Si O2@ZnO/CdS核壳结构微米球中。通过使用该核壳结构光催化剂参与可见光催化降解RhB反应,结果发现与Fe3O4@SiO2@ZnO核壳结构相比,Fe3O4@SiO2@ZnO/CdS表现出了更加优异的光催化性能。这是因为CdS的负载,将核壳结构的光吸收范围扩展到可见光波段。同时CdS与ZnO的复合,还能有效地抑制光生电子-空穴对的复合。另外,通过测试不同CdS负载量的核壳结构光催化活性,找到了最优的CdS负载量。Fe3O4@SiO2@ZnO/CdS核壳光催化剂还有很高的化学稳定性,在连续经历5次光催化循环实验后,仍然保持较高的活性。