半导体光催化技术是一种绿色、节能环保、高效的技术,在解决环境污染方面潜能巨大。半导体ZnO资源丰富,无毒无害,物理化学性质稳定,被广泛应用于环境保护、污水治理、光解水产氢和太阳能电池等领域。但受纯ZnO宽带隙(3.20 eV)限制,仅能有限利用太阳光,而且光生电子空穴重组率高,导致光催化效率低。为了提高ZnO的光催化活性,必须在能带工程和界面设计的基础上,对ZnO进行改性和修饰。本文通过原位无模板水热法,将窄带隙的CuO(1.7 eV)与ZnO形成ZnO/CuO中空微球结构,并利用氧化石墨烯(GO)和硫化锌量子点(ZnS QDs)进一步进行改性,获得多元异质结光催化材料;然后利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、光电子能谱(XPS)、差热-热重分析仪(TG-DTA)、拉曼光谱(Raman)、荧光光谱(PL)、紫外光谱(UV-vis)、电化学阻抗谱(EIS)、光电流(i-t)等对其结构和形貌进行表征,同时对其光催化机理做了详细的分析。研究具有重要的理论指导意义和实际应用价值,将为多元异质结纳米结构的设计和制备提供一条简单、有效的方法。首先,利用水热法构建了 ZnO/CuO中空微球结构,并探究了 Zn/Cu摩尔比例、水热温度、水热时间和煅烧温度对产物结构、形貌和光催化性能的影响。研究结果表明,在Zn2+/Cu2+比例为1:0.5,水热反应条件为6h,反应温度为120℃,煅烧温度为500℃时,可得到粒径为5 μm的ZnO/CuO中空微球;获得的微球在自然太阳光下具有很好的光催化性能,在120分钟内能全部降解20 mg L-1的罗丹明B溶液。由于CuO的复合,构建的p-n异质结能有效地拓展ZnO的光谱响应范围,提高光生电子-空穴对的分离效率。其次,通过水热法进行氧化石墨烯改性ZnO/CuO微球,探究了氧化石墨烯的含量、制备方法等对ZnO/CuO微球形貌、结构和光催化性能的影响。实验得出,原位复合能制备出尺寸均一、高催化活性的ZnO/CuO/GO(ZCGO)微球。当GO含量为6 mL时,ZCGO3号样品微球在太阳光下具有最佳的光催化性能,可在100 min内降解约99%的罗丹明B溶液,其降解速率是改性前ZnO/CuO的1.4倍。原位复合实现了 GO片嵌入ZnO/CuO微球的结构,而GO片的嵌入式结构有效降低了复合材料的电阻率,提高光电流,其光电流值从102 μA/cm2(ZnO/CuO)提高至140 μA/cm2(ZCGO3)。这说明在微球中嵌入GO片有利于降低光生载流子的复合,提高光催化活性。最后,以ZnO/CuO/GO为原料,结合溶剂热法获得了 ZnS QDs改性的多元异质结,研究了 ZnS QDs含量对ZnO/CuO/GO光催化性能的影响,并对光催化性能好的样品进行循环稳定性测试,得到了太阳光下光催化性能稳定的多元异质结ZnO/CuO/GO/ZnS QDs(ZCGS)。ZnS QDs与ZCGO形成多元异质结后使其带隙从2.68 eV(ZCGO)降低到2.38 eV(ZCGS3),显著提高光催化性能。当ZnS QDs含量为40%时,ZCGS3样品光催化性能最佳,其降解速率是ZCGO的1.32倍,光电流达到了 167 μA/cm2。ZnS QDs分散在ZCGO表面,与ZnO,CuO,GO之间形成独特的多元异质结,在界面处产生新的能量态,这既能延长光生电子的传递路径,又能避免电荷载流子的积累,从而使得ZCGS的高光催化性能表现出很好的稳定性。