随着工业和科技的飞速发展,各种能源紧缺、污染问题接踵而来,能源的枯竭,空气、土壤和水污染日益严重并越来越引起大家的重视。而半导体光催化技术则能够巧妙地将合理运用可再生资源-太阳能和治理环境污染联系起来,利用太阳能对半导体催化剂进行照射从而达到降解污染物的目的。ZnO具有化学性能稳定,受热不易分解的特点,且价格低廉、无毒且不引入二次污染等被广为研究。然而纯ZnO的光催化效率却不尽如人意,主要是由于其量子效率低,光生电子-空穴复合率大;且宽的带隙以致其只能吸取紫外波段的光谱。本文拟在ZnO中掺入稀土元素,探究Gd、Ce掺杂及浓度对ZnO结构、形貌、能隙、光致载流子复合情况及光降解活性的影响,并在此基础上复合石墨烯进一步提高光催化活性和拓宽光吸收至更大范围。通过XRD、SEM、TEM、UV-Vis、PL、Raman等测试手段研究了稀土掺杂及复合石墨烯对ZnO晶体结构、形貌、能隙、光致载流子复合情况及光降解活性的影响,并对其催化机理进行分析,具体研究内容如下:为了拓宽纯ZnO的光谱吸收范围和光降解活性,选取Gd和Ce作为掺杂元素,通过溶剂热法制备了Gd-ZnO和Ce-ZnO光催化剂。实验证实Gd、Ce离子掺杂不会影响ZnO自身物相,仅出现轻微衍射峰峰位偏移。其中,稀土Gd离子掺杂使ZnO形貌从棒状变为小球状;而稀土Ce离子掺杂轻微抑制ZnO的生长,使棒状变短小。紫外吸收光谱显示掺杂Gd、Ce离子ZnO光吸收能力明显提高,光吸收范围由紫外拓展到可见光范畴。稀土离子具有独特4f电子构型,能够作为陷阱俘获光生电子、减少光致载流子重组复合,进而显著增强了光降解活性。结果表明掺杂Gd、Ce对改善ZnO光降解性能效果显著,且在掺杂量分别为3%mol和2%mol时光降解活性最佳。3%mol Gd-ZnO光催化降解率达70.9%,2%mol Ce-ZnO光催化降解率为58.3%。为进一步增强ZnO的光催化活性并提高其光吸收范围,在稀土掺杂ZnO的基础上复合石墨烯得到了Ce-ZnO/RGO光催化剂。结果表明Ce的掺杂与复合石墨烯都不影响ZnO的物相结构,衍射峰向小角度略有偏移。拉曼光谱和红外光谱表明氧化石墨烯在ZnO生长过程中成功被还原。紫外吸收光谱显示Ce-ZnO/RGO催化剂材料在可见光范围内光吸收能力显著增强。PL光谱证明掺杂Ce和复合石墨烯后显著降低了光生载流子的复合率。罗丹明B降解实验表明Ce-ZnO/RGO具有卓越的光降解活性,降解率高达98.6%。分析稀土Ce离子的特殊构型可以作为陷阱捕获光生载流子,石墨烯出色的电子传输能力加快了光生载流子的传输和转移,两者共同作用显著增强ZnO的光催化活性。