左龍濤，李 軍，金 央，班昌勝，陳 明

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

ZnO作為一種n型半導(dǎo)體材料，因其高電子遷移率、光和熱穩(wěn)定性、環(huán)境友好性以及制備成本低的優(yōu)點(diǎn)受到了諸多領(lǐng)域的關(guān)注［1］。ZnO作為一種光催化劑，比表面積大、具有紫外光吸收能力、優(yōu)良的導(dǎo)電性能是其優(yōu)點(diǎn)［2］。但是，以ZnO作為光催化劑存在可見光吸收能力弱和光生載流子復(fù)合率高的困擾，其缺陷限制了氧化鋅光催化效果和進(jìn)一步工業(yè)推廣［3］。因此，需要對(duì)ZnO進(jìn)行改性，提高其可見光響應(yīng)能力和載流子分離效率［4］。

沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料（ZIFs）的高比表面積和孔隙率吸引了人們對(duì)其在傳感、氣體吸附和催化方面應(yīng)用的關(guān)注。在過去幾年里，ZIFs所制備的改性ZnO進(jìn)入大家的視野，如ZnO-Co3O4［5］、Cu2O/ZnO［6］和Si-ZnWO4/ZnO［7］異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料。ZIFs中的一種ZIF-8分別以Zn和2-甲基咪唑?yàn)檫B接節(jié)點(diǎn)和配體，含有大量的有機(jī)C。對(duì)ZnO進(jìn)行C元素?fù)诫s改性是提高其可見光吸收能力并抑制載流子復(fù)合的有效方法［8-9］。首先C摻雜能有效地降低ZnO的帶隙值并形成更多的氧空位［8］進(jìn)而提高ZnO的可見光響應(yīng)能力。其次C摻雜能抑制光生載流子的復(fù)合［10］。故本文通過熱解ZIF-8將碳摻入氧化鋅晶格中來提高氧化鋅的光催化性能。

通過以ZIF-8為前驅(qū)體制得原位C摻雜ZnO，聯(lián)合XRD和TG分析研究所制備C摻雜ZnO的最佳熱解溫度。通過XRD、SEM、XPS、UV-vis、PL和DFT模擬計(jì)算分別研究樣品的物相、形貌、表面化學(xué)狀態(tài)、光學(xué)特征和禁帶結(jié)構(gòu)。在可見光和紫外光下催化降解亞甲基藍(lán)對(duì)比C摻雜ZnO和ZnO的光催化性能，發(fā)現(xiàn)由于C摻雜ZnO擁有可見光吸收和抑制載流子復(fù)合的能力使其光催化性能得以提高。最后結(jié)合捕獲實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出C摻雜ZnO的光催化降解機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

六水合硝酸鋅、無水甲醇、亞甲基藍(lán)、2-甲基咪唑、納米氧化鋅、對(duì)苯醌、異丙醇和EDTA-2Na，均為分析純。

1.2 ZIF-8及C摻雜ZnO的制備

首先以甲醇為溶劑合成ZIF-8。先將3 mmol六水合硝酸鋅和12 mmol 2-甲基咪唑分別溶解在25 mL甲醇溶液中。然后將六水合硝酸鋅甲醇溶液快速倒入2-甲基咪唑甲醇溶液中，劇烈攪拌5 min。攪拌結(jié)束后將樣品分別陳化10 min、3 h和24 h。最后，將白色沉淀離心并用甲醇洗滌數(shù)次后在室溫下干燥過夜。所制備的樣品分別命名為10 min-ZIF-8、3 h-ZIF-8、24 h-ZIF-8。

為了研究熱解ZIF-8制備C摻雜ZnO的最佳溫度，將24 h-ZIF-8分別在350、400、450℃煅燒3 h，所得樣品分別命名為C350、C400和C450。

原位C摻雜ZnO的制備：將合成的ZIF-8置于管式爐中，升溫速率為5℃/min，在450℃下煅燒3 h，所得產(chǎn)品分別命名為10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO。

1.3 表征方法

采用X射線粉末衍射儀（XRD-6100）對(duì)光催化劑進(jìn)行物相分析；采用掃描電子顯微鏡（JSM-7500F）對(duì)光催化劑的微觀形貌進(jìn)行研究；采用熒光分光光度計(jì)（F-7000）對(duì)樣品進(jìn)行光致發(fā)光光譜分析；采用紫外可見分光光度計(jì)（UV-3600）對(duì)樣品進(jìn)行紫外-可見漫反射吸收光譜分析；采用X射線光電子能譜儀（AXIS Supra）對(duì)材料的表面化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析。

1.4 光催化性能評(píng)價(jià)

以亞甲基藍(lán)（MB）為模擬污染物，評(píng)價(jià)催化劑的光催化性能。在PCX50和NAI-GHY-DSGGH光催化反應(yīng)器中分別以LED燈和汞燈模擬400~800 nm的可見光和紫外光，對(duì)樣品的可見光催化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)?？梢姽夂妥贤夤獯呋到鈱?shí)驗(yàn)中亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度分別為10 mg/L和20 mg/L，光催化劑的初始質(zhì)量濃度為1 g/L。光照前將樣品避光攪拌30 min，然后再在光照條件下對(duì)MB進(jìn)行降解。光照一段時(shí)間后取3 mL溶液，離心后將收集的上清液用紫外分光光度計(jì)（UV-3100）在664 nm測量MB的吸光度。

1.5 模擬計(jì)算方法

通過Material Studio軟件中的Castep模塊對(duì)C摻雜ZnO和未摻雜ZnO進(jìn)行第一性原理計(jì)算。依靠密度函數(shù)理論（DFT）和平面波贗勢法，利用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）計(jì)算交換相關(guān)能。在DFT的計(jì)算過程中，帶隙能常常被低估，這是因?yàn)镚GA或LDA方法不能充分考慮d態(tài)和f態(tài)的相關(guān)效應(yīng)，忽略了強(qiáng)相關(guān)體系中自旋電子與內(nèi)電子的排斥效應(yīng)。采用GGA+U法可以得到更準(zhǔn)確的帶隙能量和光學(xué)性質(zhì)［11-12］。GGA+U法中的U是哈伯德參數(shù)。通過設(shè)置該參數(shù)，使計(jì)算結(jié)果考慮到強(qiáng)相關(guān)體系中的強(qiáng)庫侖力效應(yīng)。在ZnO強(qiáng)相關(guān)體系中，U值的設(shè)置不僅要考慮d態(tài)，也不能忽略p態(tài)［13］，設(shè)置Ud，Zn=5.5 eV、Up，O=8 eV、Up，C=6.5 eV。Zn、O和C的價(jià)電子分別為3d104s2、2s22p4和2s22p2。采用3×3×3的ZnO（54個(gè)Zn和54個(gè)O原子）超胞模型進(jìn)行C摻雜，設(shè)置平面波截?cái)嗄転?71.4 eV，布里淵區(qū)K點(diǎn)為5×5×4，電子迭代收斂值為1×10-5eV/atom，原子的最大Hellman-Feynman力為0.3 eV/nm，原子的最大內(nèi)應(yīng)力為0.05 GPa，原子的最大位移為1×10-5nm。布里淵區(qū)高對(duì)稱點(diǎn)K點(diǎn)的路徑為G-M-K-G-A-L-H-A。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 XRD和TG分析

制備的10 min-ZIF-8、3 h-ZIF-8和24 h-ZIF-8的XRD譜圖見圖1a。由圖1a可知，制備的樣品在7.37、12.72、18.06°處的特征峰分別對(duì)應(yīng)ZIF-8的（011）、（112）、（222）晶面，進(jìn)而可以判斷合成的樣品為ZIF-8晶體。

圖1b為ZIF-8的熱重分析曲線。從圖1b看出，從室溫升到800℃的過程中，ZIF-8主要有2次質(zhì)量損失。第一個(gè)質(zhì)量損失發(fā)生在170℃，其質(zhì)量損失的主要成分是ZIF-8制備中所引入的結(jié)晶水。在200~360℃時(shí)，ZIF-8樣品表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。在360~510℃時(shí)，ZIF-8樣品發(fā)生第二次質(zhì)量損失，此時(shí)ZIF-8本身開始熱分解，其有機(jī)金屬框架中的碳元素和鋅元素與氧氣反應(yīng)分別生成二氧化碳和氧化鋅。考慮到煅燒溫度較高，不僅會(huì)使ZIF-8晶體中的碳骨架迅速轉(zhuǎn)化為二氧化碳而導(dǎo)致質(zhì)量快速損失，而且會(huì)造成極為嚴(yán)重的熱團(tuán)聚。將煅燒溫度設(shè)置為350、400、450℃3個(gè)相對(duì)較低的溫度以研究制備原位C摻雜ZnO的最佳溫度。

圖1c為C350、C400和C450的XRD譜圖。從圖1c看出，C350的XRD譜圖與ZIF-8晶體的特征峰一致，說明ZIF-8晶體在350℃下煅燒時(shí)熱穩(wěn)定，這與圖1b中的分析相一致。C400樣品在2θ為31.76、34.42、36.25°處出現(xiàn)的3個(gè)特征峰與ZnO標(biāo)準(zhǔn)卡（JCPDS No.36-1451）中的（100）、（002）、（101）晶面一致，但ZnO結(jié)晶度較低?？梢酝茢郱IF-8晶體在400℃下煅燒3 h只能去除部分有機(jī)成分。C450樣品表現(xiàn)出良好的結(jié)晶度，在2θ為31.76、34.42、36.25、47.5、56.6、62.8、67.9、69.1°處出現(xiàn)的特征峰分別對(duì)應(yīng)ZnO標(biāo)準(zhǔn)卡（JCPDSNo.36-1451）中的（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（112）、（201）晶面。故ZIF-8熱解溫度定于450℃較為合適，熱解得到的ZnO摻雜情況將在后文的XPS分析章節(jié)中討論。

圖1 不同陳化時(shí)間制得ZIF-8的XRD譜圖（a）；ZIF-8樣品的熱重分析曲線（b）；樣品C350、C400、C450的XRD譜圖（c）；10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO的XRD譜圖（d）Fig.1 XRD patterns of ZIF-8 prepared at different aging time（a）；thermogravimetric analysis curve of the ZIF-8 sample（b）；XRD patterns of C350，C400，C450（c）；XRD patterns of 10 min-ZnO，3 h-ZnO，24 h-ZnO（d）

將10 min、3 h和24 h合成的ZIF-8于450℃煅燒后得到的樣品進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖1d所示。從圖1d看出，煅燒得到的樣品在31.76、34.42、36.25、47.5、56.6、62.8、67.9、69.1°處出現(xiàn)的特征峰分別對(duì)應(yīng)ZnO標(biāo)準(zhǔn)卡（JCPDS No.36-1451）中的（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（112）、（201）晶面，這證明煅燒的樣品都為六方纖鋅礦晶相的氧化鋅。

2.2 SEM分析

圖2為24 h-ZIF-8、C350、C400和C450的SEM照片。圖2a為24 h-ZIF-8樣品的SEM照片。由圖2a可見，ZIF-8晶體呈現(xiàn)出完整的12面形態(tài)，晶體尺寸約為200 nm。從圖2 b看出，C350樣品形貌仍然保持ZIF-8的菱形12面形貌。SEM表征結(jié)果與熱重分析和XRD分析結(jié)果一致。C400的SEM照片（圖2c）證明在400℃下煅燒3 h可以破壞ZIF-8的晶體結(jié)構(gòu)使ZIF-8發(fā)生熱解并保留部分ZIF-8的形貌。C450的SEM照片見圖2d。由圖2d可見，與煅燒前相比樣品呈現(xiàn)出球形晶體且粒徑減小，這是因?yàn)?50℃煅燒3 h破壞了ZIF-8的有機(jī)金屬框架結(jié)構(gòu)，大量有機(jī)成分以二氧化碳的形式逸出。

圖2 制得樣品的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of prepared samples

圖3a、b、c分別為陳化時(shí)間為10 min、3 h、24 h所制備ZIF-8晶體的SEM照片。由圖3a、b、c可知，10 min-ZIF-8晶體為100~200 nm的球形晶體，由于陳化時(shí)間較短ZIF-8晶體仍處于晶體生長階段，標(biāo)志性的菱形12面形貌尚未形成；3 h-ZIF-8的菱形12面形態(tài)已經(jīng)顯現(xiàn)，但有部分細(xì)晶和球形晶體；當(dāng)陳化時(shí)間為24 h時(shí)，所有晶體均為粒徑約為210 nm的菱形12面體。

圖3 d、e、f分別為由陳化時(shí)間為10 min、3 h、24 h制備的ZIF-8在450℃煅燒后得到的ZnO樣品的SEM照片。從圖3d、e、f看出，煅燒后ZIF-8的菱形12面形貌消失，樣品轉(zhuǎn)而表現(xiàn)為球形晶體。煅燒后得到的ZnO晶體的粒徑縮小到50 nm左右，由于尺寸的進(jìn)一步縮小，煅燒后得到的ZnO晶體表現(xiàn)出更強(qiáng)的尺寸和表面效應(yīng)進(jìn)而表現(xiàn)出較強(qiáng)的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3 制得樣品的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of prepared samples

2.3 XPS分析

以XPS分析確認(rèn)制備得到的氧化鋅樣品為碳摻雜氧化鋅，其元素組成和化學(xué)鍵組成情況見圖4。由圖4a可知，以10 min-ZIF-8煅燒得到的ZnO中含有3種化學(xué)元素，分別是Zn、O、C。在圖4b中，樣品10 min-ZnO的XPS C 1s能譜經(jīng)過擬合可以得到3個(gè)特征峰，其中288.7 eV的特征峰表明樣品表面存在C=O化學(xué)鍵；284.7 eV的特征峰證明樣品中存在C—C鍵；于283.9 eV出現(xiàn)的特征峰證明了Zn和C結(jié)合形成的Zn—C鍵［14-15］。在XPS C 1s能譜中Zn—C的存在說明ZnO的晶格內(nèi)存在C元素。圖4c為樣品10 min-ZnO的XPS O 1s能譜，能譜中可見兩個(gè)特征峰，分別坐落于529.8 eV和531.3 eV。ZnO晶格中的二價(jià)O在XPS O 1s譜圖內(nèi)表現(xiàn)為坐落于529.8 eV的特征峰，氧化鋅表面的氧缺陷或羥基的存在可由在O 1s能譜中位于531.3 eV的特征峰來證明［16-17］。圖4 d為樣品10 min-ZnO的XPS Zn 2p能譜，圖中顯示由于Zn—O鍵的存在，在1 021.1 eV出現(xiàn)了一個(gè)特征峰，此外由于C元素進(jìn)入氧化鋅的晶格之中，一個(gè)新的特征峰在1 021.4 eV出現(xiàn)［18］。XPS C 1s能譜和XPS Zn 2p能譜都證明在450℃煅燒條件下，ZIF-8中的有機(jī)碳的一部分進(jìn)入到氧化鋅的晶格之中。

圖4 10 min-ZnO的XPS圖Fig.4 XPS spectra of 10 min-ZnO

2.4 光學(xué)分析

以UV-vis研究制備得到的C摻雜ZnO的光學(xué)性質(zhì)。圖5為各樣品UV-vis圖和各樣品禁帶寬度圖。從圖5看出，不同陳化時(shí)間制備得到的C摻雜ZnO和購買的納米氧化鋅在紫外光區(qū)都表現(xiàn)出類似的紫外光吸收能力。不同的是10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO表現(xiàn)出一定的可見光吸收能力和吸收邊紅移，這正是因?yàn)镃在ZnO晶格中摻雜所致。

圖5 各樣品UV-vis圖（a）；各樣品禁帶寬度圖（b）Fig.5 UV-vis spectra of different samples（a）；bandgap width of different samples（b）

采用TAUC等［19］的方法計(jì)算得到樣品的帶隙寬度，計(jì)算公式見式（1）。

式中：α為吸光指數(shù)；h為普朗克常數(shù)；v為頻率，Hz；A為常數(shù)；Eg為禁帶寬度，eV；c為光速，m/s；λ為光的波長，m。計(jì)算得到10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO、購 買 的ZnO的 禁 帶 寬 度 分 別 為3.08、3.08、3.14、3.20 eV。通過在ZnO的晶格中引入C元素，ZnO的帶隙寬度減小了3.75%。

圖6為制備所得樣品的熒光光致發(fā)光光譜圖。與純ZnO相比C摻雜ZnO在光致發(fā)光光譜中顯示出更低的熒光強(qiáng)度，各摻雜樣品均有更高的載流子分離效率進(jìn)而擁有更高的光催化活性。光學(xué)性質(zhì)分析證明C摻雜ZnO較ZnO擁有可見光響應(yīng)能力和更好的光生載流子分離性能。

圖6 各樣品光致發(fā)光光譜圖Fig.6 Photoluminescence spectra of different samples

2.5 禁帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度

通過DFT計(jì)算，ZnO的帶隙寬度為3.25 eV。計(jì)算結(jié)果顯示ZnO帶隙寬度同實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得的3.20 eV接近。ZnO和C摻雜ZnO的禁帶結(jié)構(gòu)示于圖7。從圖7分析可知，當(dāng)ZnO的晶格中摻入C元素時(shí)，ZnO的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置向費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)。這意味著ZnO晶格中的C元素加強(qiáng)了原子間的相互作用，電子軌道之間相互接近，進(jìn)而減小了ZnO的禁帶寬度。C摻雜ZnO和ZnO的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底都坐落在布里淵區(qū)的原點(diǎn)G點(diǎn)上證明C摻雜ZnO的禁帶中并未形成新的能級(jí)結(jié)構(gòu)，C摻雜ZnO仍然為直接帶隙半導(dǎo)體。C摻雜ZnO價(jià)帶越過費(fèi)米能級(jí)，這表示C摻雜ZnO為p型摻雜。C摻雜ZnO計(jì)算得到的帶隙寬度為2.89 eV，較ZnO計(jì)算得到的禁帶寬度縮小11.07%。ZnO的禁帶寬度的減小意味著ZnO光催化性能的提高。

圖7 能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Energy band structure

圖8中ZnO態(tài)密度圖可以分成3個(gè)部分。在價(jià)帶上的-15.5~-13.9 eV，主要是由ZnO中的O 2s軌道形成；ZnO價(jià)帶頂主要由ZnO中的O 2p和Zn 3d軌道形成；ZnO導(dǎo)帶底主要由ZnO中的O 2p和Zn 4s軌道形成。圖8 b顯示C摻雜ZnO態(tài)密度圖可以分成3個(gè)部分。在價(jià)帶上的-16.3~-14.4 eV，主要是由ZnO中的O 2s軌道形成；ZnO價(jià)帶頂主要由ZnO中的O 2p、Zn 3d和C 2p軌道形成；ZnO導(dǎo)帶底主要由ZnO中的O 2p、Zn 4s和C 2p軌道形成。由圖8 b可以看出，由于C 2p軌道的存在令C摻雜ZnO導(dǎo)帶底左移進(jìn)而使得整個(gè)帶隙變窄。

圖8 分態(tài)密度圖Fig.8 Partial density of states

2.6 光催化性能研究

圖9a顯示了10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO和商用納米氧化鋅在LED燈源模擬的可見光照射下亞甲基藍(lán)的降解率隨時(shí)間的變化情況。所有C摻雜ZnO都表現(xiàn)出一定的吸附性能，在避光攪拌30 min后，10 mg/L的亞甲基藍(lán)濃度因材料表面吸附而減少10%。10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO和商用納米氧化鋅在光照80 min后對(duì)溶液中亞甲基藍(lán)的降解率分別為76%、64%、73%和56%。計(jì)算得到10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO和商用ZnO的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為0.015 7、0.010 8、0.014 3、0.009 4，由此可知C摻雜ZnO在模擬可見光照射條件下的光催化性能比商用ZnO提高約1.5倍。

圖9 不同樣品的可見光催化效果圖（a）；可見光催化一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)圖（b）；不同樣品的紫外光催化效果圖（c）；紫外光催化一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)圖（d）Fig.9 Photocatalytic performance of different samples under visible light（a）；first-order kinetics of visible light photocatalysis（b）；photocatalytic performance of different samples under ultraviolet light（c）；first-order kinetics of ultraviolet light photocatalysis（d）

圖9 c為10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO和商用納米氧化鋅的紫外光催化效果圖。10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO和商用納米氧化鋅在紫外光光照35 min后對(duì)20 mg/L的亞甲基藍(lán)的降解率分別為97.6%、98.7%、98.3%和37.2%。計(jì)算得到10 min-ZnO、3 h-ZnO、24 h-ZnO和商用納米氧化鋅的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為0.092 5、0.142 3、0.104 6、0.029 1。由此可知在紫外光照射條件下C摻雜ZnO和ZnO相比具有更好的催化活性。

2.7 光催化機(jī)理分析

驗(yàn)證原位C摻雜ZnO在可見光和紫外光照射下光催化降解亞甲基藍(lán)過程中起主要作用的活性基團(tuán)，以EDTA-2Na、異丙醇（IPA）、對(duì)苯醌（BQ）分別作為空穴（h+）、羥基自由基（·OH）、超氧自由基（·O2-）的捕獲劑。圖10為C摻雜ZnO光催化捕獲實(shí)驗(yàn)圖。

圖10 C摻雜ZnO光催化捕獲實(shí)驗(yàn)圖Fig.10 Photocatalysis capture experiment of C-doped ZnO

由光致發(fā)光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算得C摻雜ZnO的價(jià)帶和導(dǎo)帶位置分別為2.83、-0.25 eV。水和羥基的氧化還原電位為1.99 eV。C摻雜ZnO價(jià)帶上的空穴有能力直接與水或溶液中的羥基反應(yīng)直接生成羥基自由基。

基于C摻雜ZnO禁帶結(jié)構(gòu)和捕獲實(shí)驗(yàn)提出C摻雜ZnO降解亞甲基藍(lán)的機(jī)理。C摻雜ZnO在可見光和紫外光照射下產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，光生電子同溶液中的氧氣反應(yīng)生成超氧自由基；空穴一部分直接氧化吸附在C摻雜ZnO表面的亞甲基藍(lán)，一部分氧化水或羥基生成羥基自由基，羥基自由基再參與到對(duì)亞甲基藍(lán)的氧化降解過程中。C摻雜ZnO的光催化降解亞甲基藍(lán)的機(jī)理示意圖見圖11。

3 結(jié)論

以ZIF-8制備C摻雜ZnO的關(guān)鍵是煅燒工藝的控制，低溫條件下ZIF-8不發(fā)生分解無法制備得到C摻雜ZnO，高溫條件下ZIF-8中的有機(jī)組分將全部以氣體的形式逸出只留下未摻雜ZnO。以陳化時(shí)間為10 min的ZIF-8即可制備得到光催化性能提升的C摻雜ZnO。制備得到的C摻雜ZnO由于晶格中C元素的摻入，表現(xiàn)出更強(qiáng)的光吸收和載流子分離能力。DFT計(jì)算結(jié)果顯示，在ZnO晶格中摻入C元素，未改變ZnO的禁帶結(jié)構(gòu)，C摻雜ZnO仍然為直接禁帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體，C 2p軌道加強(qiáng)了ZnO晶體內(nèi)電子原子的相互作用進(jìn)而促使ZnO帶隙寬度減小。C摻雜ZnO的可見光和紫外光催化反應(yīng)速率分別提高了1.5倍和3.0倍。捕獲實(shí)驗(yàn)證明C摻雜ZnO光催化過程中的主要活性物質(zhì)為空穴（h+）、羥基自由基（·OH）。根據(jù)表征和實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了C摻雜ZnO光催化降解機(jī)理。