赵志峰,王海芳,张天玑,肖 磊

(中北大学 环境与安全工程学院,山西 太原 030051)

氧化锌(ZnO)是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直隙氧化物半导体材料,禁带宽度为3.37 eV,激子结合能为60 meV[1-2]。因其优越的化学稳定性和优良的光电性能,其不仅在光电器件中具有良好的应用前景[3-5],同时也在光催化领域获得越来越多的关注[6-7]。但由于ZnO的禁带宽度较大,只能吸收占太阳光3%～5%,对太阳光的可利用范围小,这限制了ZnO的光催化活性[8-9]。

研究表明,通过掺杂可以调节ZnO 的禁带宽度,对能带结构进行修饰或者形成杂质能级,提高电子跃迁的效率和概率,同时抑制光生载流子的复合,提高ZnO的光催化活性。为此人们进行了许多尝试,非金属掺杂方面,研究人员研究了N、C、S等非金属元素掺杂ZnO的光电性质,发现掺杂后ZnO的禁带宽度会变小,电子空穴对的复合速率变小,光催化活性提高[9-13]。金属掺杂方面,稀土元素由于其独特的电子结构和光谱性质,目前已成为研究ZnO掺杂体系的热点,研究发现La、Nd、Pr等稀土元素掺杂ZnO会形成晶格缺陷,影响光生电子和空穴的运动状况,改变ZnO的能带结构,但是金属掺杂后晶体的稳定性差[14-15]。结合金属和非金属掺杂的优缺点,Yamamoto等通过第一性原理方法对电子结构进行研究,表明通过金属元素和非金属元素共掺,能增加受主的掺杂浓度,获得较浅的受主能级[16],如La-N、B-P、Cu-C共掺杂ZnO等[16-19],阴阳离子共掺杂ZnO离子间的协同作用进一步提高ZnO的光吸收范围和吸收活性。Youssef等采用溶胶凝胶法制备了La-C共掺杂ZnO纳米颗粒,发现ZnO纳米颗粒增强了对亚甲基蓝降解的光催化活性[20],但目前对于其微观机理的研究很少。……