1绪论
相比较传统方法而言，半导体光催化技术有很多优点：1）能完全分解有害物质，并且没有二次污染；2）具有除毒、脱色、去臭的功效；3）有光照射就可以，不需要其他物质；4）能够祛除异味、消毒等；5）可以在正常大气压下操作，反应条件温和，操作方便；5）价格低，环保，并且可以重复利用；6）光催化活性高；7）可以有效降解难处理的有机物等。人们相信，光催化氧化技术的发展一定可以处理目前难解决的处理废水的问题。
氧化锌与其它半导体材料相比较优势明显，属于一种新型宽禁带Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。在光催化开始过程中，可以利用太阳光照射作为能量来源，以空气或氧气作为氧化剂，有效降解有机和无机污染物，其光催化过程环保，成本低，与其它催化剂相比，具有很高的利用价值。但氧化锌自身也存在缺点，会发生光腐蚀就是阻碍其应用的问题，导致催化活性不高。所以，提高其催化性能是极其重要的难题。
上述表明，加快研究出新型、高效的半导体光催化材料，为以后解决水污染，全球水污染治理问题起着决定性作用。
1.1纳米氧化锌的性质
1.1.1纳米氧化锌的结构
ZnO存在两种晶体结构，纤锌矿结构和闪锌矿结构，其中六方纤锌矿结构为稳定相。ZnO晶体的纤锌矿结构为极性晶体。
（a）（b）
（c）（d）
图1.1（a）ZnO钎锌矿晶格图；（b）ZnO晶体结构在c(0001)面投影；
（c）Zn-O4四面体在（1120）面投影；（d）ZnO晶体形态
1.1.2纳米氧化锌的特性
纳米ZnO的粒子尺寸在1-100nm之间，其效应有以下几种：小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、久保效应等;与普通氧化锌相比有许多优点，比如防霉、除臭、护肤、光催化、节能等。可作为光催化剂、增强剂、导电材料、节能材料等。
根据结晶形态，纳米氧化锌分为锐态型和金红石型。锐态型的纳米氧化锌有以下缺点：质量轻、颜色淡、性能好、可塑性较强等，与其他纳米材料相比其有点像比较多。
1.2纳米氧化锌光催化原理
半导体粒子光催化的原理被认为是，光照射使半导体粒子价带上的电子被激发到导带，形成电子-空穴对，电子和空穴分别具有强还原性和强氧化性，光可以让电子、空穴和催化剂表面吸附的化合物发生氧化还原反应。
由于半导体的光能够吸收阈值g与带隙能有以下关系：
（4）载流子的迁移
Ar(有机物)HOgO2CO2H 2O其他产物
M n(金属离子)neM 0
1.3纳米氧化锌作为光催化剂的优缺点
光催化剂对半导体有很高的要求：比如其禁带宽度大小适中、毒害小、光催化效率高、不消耗其他物质等，同时光催化剂对其物理性能是必须满足使用要求。近年来，半导体光催化剂二氧化钛的研究和应用最多，但在处理废水的过程中也有明显缺点，主要有以下几点：
①量子效率低。
②对太阳能的利用率较低，可吸收利用的波长少。
③选取悬浮液作为光催化时，不利于催化剂回收和重复利用，选取负载技术时，光催化活性受到限制。
④对非钛基光催化剂开发利用较少。
氧化锌是继二氧化钛后另一种采用非常多的光催化剂，与二氧化钛一样也有着自身不足，其容易发生光腐蚀，导致光催化活性不高。并且氧化锌还是一种两性氧化物半导体，在强酸和强碱性溶液中都很容易与其发生溶解，虽然有这些缺点，但氧化锌的优点明显比缺点多得多，这些都是二氧化钛所不具备的，所以氧化锌在光催化领域被越来越多的人们去研究和开发。Amina Amine Khodja等将氧化锌和二氧化钛的光催化活性进行了对比，在降解2-苯基苯酚的过程当中，氧化锌光催化剂的降解效率比二氧化钛光催化剂的降解效率高。这些研究结果说明，在一定条件下，氧化锌的光催化活性比二氧化钛光催化活性强，同时在吸收太阳光的能量及量子效率也要强于二氧化钛光催化剂，所以氧化锌在光催化领域的研究应用具有很重要的意义。
氧化锌半导体催化剂不但具有光催化活性高且稳定之外，其还有许多优点是二氧化钛光催化剂不可能拥有的。久而久之，能同时检测以及摧毁有毒物质的催化系统成为研究的热门话题和解决难点之一。
实际上，到目前为止人们对氧化锌的研究和关注程度并不算高，由于其本身易发生光腐蚀光催化活性不高以及易溶于强酸性和碱性溶液等缺点阻碍了氧化锌在光催化领域的发展和应用；所以人们更趋向于对纳米二氧化钛催化剂的研究和开发，尤其在水中污染物光催化降解方面贡献卓越，如降解苯酚、有机磷农药、染料等。尽管二氧化钛光催化剂具有使用过程环保、对光吸收利用稳定等优点，但其也同样存在缺点：有成本较高、生产相对困难、设备昂贵等，大量利用二氧化钛作为光催化剂来进行处理污水成本较高，所以限制了其发展。而纳米氧化锌作为一种新型的功能材料，其成本低，无危害等在光催化领域的前景十分看好。
1.4提高纳米氧化锌光催化性能的方法
1）贵金属表面沉积
2）掺杂金属离子
3）复合半导体
4）掺杂非金属
5）离子注入
2铜掺杂氧化锌光催化剂的制备
2.1纳米氧化锌制备方法介绍
到目前为止，纳米氧化锌的制备方法还算比较多，按种类可分为物理法、化学法和物理化学法；按照物质的原始状态又可分为：固相法、液相法和气相法。每种分类方法都有各自的特点，但都是按照综合成本低、生产过程容易控制、纯度高、不易变形、其他物质对其影响小等因素进行研究。
2.1.1化学制备方法
①溶胶-凝胶法
②化学沉淀法
③醇盐水解法
④水热合成法
⑤微乳液法
⑥固相合成法
⑦喷雾热解法
⑧化学气相沉淀法
2.1.2物理制备方法
①脉冲激光沉积（PLD）
②分子束外延(MBE)
③喷雾热分解法
2.2实验原理
氧化锌溶胶的制备，本文采用有机醇盐水解法，这是Sol-Gel技术中应用最广泛的一种方法。采用金属醇盐为前驱体溶于溶剂(水或有机溶剂)中形成均匀的溶液。溶质与溶剂间产生水解或醇解反应。
金属醇盐有不同的成分组成，以M(OR)n表示。
(1)水解反应：金属醇盐M(OR)n与水的反应为：
M(OR)nxH 2OM(OH)x(OR)nxxROH
(2)缩聚反应，可分为失水缩聚和失醇缩聚
失水缩聚：MOHOHMMOMH 2O
失醇缩聚：MOROHMMOMROH
2.3纳米氧化锌光催化剂的制备
2.3.1仪器与试剂
2.3.2铜掺杂纳米氧化锌光催化剂的制备
按照要求称取乙酸锌，加入大量的无水乙醇，根据不同要求加入以Cu/Zn摩尔比计量的硫酸铜，配置适量的二乙醇胺，在温度为25摄氏度下不断搅拌3小时停止，沉淀24小时，最后得到蓝色透明且稳定的Cu掺杂纳米ZnO溶胶。然后经过水浴蒸干，在温度为75℃环境下风干10小时，直到出现蓝色透明且稳定的Cu掺杂纳米ZnO凝胶。然后转移到马弗炉中在250℃~550℃温度下进行多次不同煅烧，最后制得不同掺铜量、不同煅烧温度及不同煅烧时间的纳米Cu/ZnO光催化剂样品。
3实验部分
3.1主要仪器
3.2铜掺杂纳米氧化锌光催化剂的表征
总结
本文通过实验研究铜掺杂纳米氧化锌光催化剂的制备及其光催化性能的研究，通过研究对掺铜量的多少、不同煅烧温度、不同煅烧时间长短等的影响，选择综合性能最好的制备工艺：在340℃下煅烧掺铜量为0.4%的纳米Cu/ZnO180分钟，在紫外光照射下，降解甲基橙240分钟降解率达到80%为光催化活性最高；掺铜纳米ZnO光催化降解甲基橙符合动力学一级反应。
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