具体描述
本书介绍了氧化锌(ZnO)的掺杂技术、性能及其应用。全书共分七章，第一章概述了ZnO的结构、基本性质与制备方法，第二章介绍了ZnO的本征缺陷和非故意掺杂，第三至第六章分别介绍了ZnO的n型掺杂、p型掺杂、合金掺杂、稀磁掺杂等各种掺杂技术及其应用，第七章阐述了ZnO导体器件的相关研究。 本书在内容上宽度和深度相结合，系统介绍了ZnO的基本知识，同时对ZnO 研究的热点领域进行了详细而深入的探讨。本书理论和实践相结合，以作者多年的研究成果为基础，重点介绍了ZnO半导体薄膜材料的掺杂技术、物理基础及其应用，对ZnO纳米材料的相关内容也有所涉及，叙述了ZnO研究和开发应用领域的新概念、新进展、新成果和新技术。 本书可供从事半导体材料、薄膜材料、纳米材料、功能材料及其相关器件研究等领域的科研人员、工程技术人员参考，也可作为高等院校材料、物理、化学、电子等相关专业师生的参考书籍。
新型能源材料的突破与前沿探索：高效率光催化剂的设计、制备与性能优化 图书简介 本书深入探讨了在当前全球能源转型与环境治理背景下，高性能光催化材料的研发与应用所面临的关键科学问题与工程挑战。全书聚焦于新型无机半导体光催化剂的设计原理、精确合成方法及其在水分解制氢、二氧化碳还原以及环境污染物降解三大核心领域的应用优化。我们旨在为材料科学家、化学工程师及从事可再生能源技术研究的专业人士提供一份详尽、前沿且具有高度实践指导意义的参考资料。 本书的结构围绕光催化体系的“本征特性调控”与“反应界面工程”两大主线展开，系统性地梳理了从微观机理到宏观器件的完整研发链条。 --- 第一部分：光催化材料的基础科学与本征性能调控 本部分首先奠定了理解高性能光催化剂的基础，重点解析了决定其光电转换效率的关键内在因素。 第一章：光生载流子的动力学与损耗机制 本章从能带结构理论出发，详细阐述了半导体材料吸收光子后产生电子-空穴对的过程。重点分析了在材料内部和表面发生的关键过程，如激子分离、载流子迁移、界面电荷转移阻抗以及复合速率。通过引入时间分辨光谱技术（如飞秒瞬态吸收光谱），量化不同材料体系中载流子的寿命和迁移路径，为设计具有高分离效率的结构奠定理论基础。 第二章：缺陷工程与本征能带调控策略 传统宽禁带半导体的局限性在于可见光吸收效率低下。本章聚焦于缺陷工程在可见光响应性光催化剂开发中的核心作用。详细讨论了通过阳离子/阴离子空位诱导、非金属元素（如N, C, B）掺杂以及晶格畸变等方法，有效调节价带顶和导带底位置，实现对可见光区的高效捕获。同时，探讨了如何利用这些缺陷态作为“准能级”或“载流子陷阱”，以降低电子-空穴复合的活化能垒。 第三章：形貌控制与表面活性位点构建 光催化反应的效率高度依赖于催化剂的比表面积和暴露的晶面。本章系统介绍了溶剂热法、水热合成法、模板法和原子层沉积（ALD）等精密合成技术，用于控制纳米材料的尺寸、形貌（如纳米片、纳米棒、中空结构）和晶面暴露比。特别关注了如何通过调控生长条件，定向暴露具有更高催化活性的特定晶面（如TiO₂的{001}面），并阐明了表面活性位点（如边缘原子、台阶结构）在吸附反应物和促进电荷转移中的物理化学机制。 --- 第二部分：界面耦合与复合材料的协同增强 高性能光催化剂往往依赖于多组分异质结的界面效应。本部分聚焦于如何通过结构耦合，克服单一材料的局限性，实现载流子分离和氧化还原能力的协同增强。 第四章：构建高效异质结：Z型与板结结构 本章深入解析了不同类型异质结的构建原理。详细讨论了I型、II型和Z型异质结的电子流动方向和能带匹配模式。重点分析了Z型异质结（Z-scheme）在实现高效空间分离和维持高氧化还原电位方面的优势。通过实例展示了如何利用价带和导带的精确匹配，建立“双向”的电子转移通路，显著提高光生载流子的分离效率。 第五章：贵金属与非贵金属助催化剂的电子耦合 贵金属（如Pt, Au, Pd）作为经典的电子受体，在光生电子的捕获和活化产生活性物种（如H⁺还原）中扮演关键角色。本章对比了贵金属助催化剂的负载方式（表面沉积与原位生长）及其对电荷转移速率的影响。此外，鉴于成本考量，本章投入大量篇幅探讨了过渡金属氧化物、硫化物或碳基材料作为非贵金属助催化剂的潜力，重点分析了其与半导体本体之间形成的强耦合界面对提高还原或氧化效率的贡献。 第六章：碳基材料的赋能：导电网络与光吸收增强 石墨烯（Graphene）、碳纳米管（CNT）和碳量子点（CQD）因其优异的导电性和超大比表面积，被广泛用作光催化剂的电子传输高速公路。本章详细阐述了如何将这些碳基材料与无机半导体复合，以构建三维导电网络，有效降低界面接触电阻，加速电子向反应位点的转移。此外，还探讨了碳点自身的“光敏剂”作用，如何辅助拓宽材料的光吸收范围。 --- 第三部分：关键应用领域的反应机理与器件优化 本部分将理论和材料设计转化为实际应用，聚焦于光催化技术在解决能源与环境问题中的工程化实现。 第七章：水分解制氢：高选择性与稳定性研究 光催化水分解（PWE）是实现清洁氢能的关键途径。本章聚焦于光阳极（氧化析氧反应，OER）和光阴极（还原析氢反应，HER）的设计策略。详细分析了OER中高价态金属氧簇的形成与稳定性问题，以及HER中质子在催化位点上的吸附/脱附动力学。本章还探讨了如何通过电场辅助（光电化学池）来进一步提升光生载流子的分离效率和反应界面的催化活性。 第八章：二氧化碳还原（CO₂RR）的路径控制与产物调控 将温室气体CO₂转化为高附加值化学品（如CO, CH₄, 甲醇）是极具挑战性的研究方向。本章深入分析了CO₂还原过程中的多电子转移路径竞争。重点阐述了如何通过调控催化剂的费米能级和界面碱性环境，精确控制CO₂向特定目标产物的选择性转化。探讨了金属氧化物、氮化碳基材料以及金属有机框架（MOFs）衍生材料在CO₂RR中的优势与局限。 第九章：环境修复中的高效光催化降解 在环境应用中，光催化剂需要面对复杂水体和空气体系。本章侧重于活性物种的生成与选择性。详细对比了由光生电子和空穴产生的羟基自由基（·OH）、超氧自由基（·O₂⁻）和空穴（h⁺）在降解有机污染物（如抗生素、染料）中的贡献差异。讨论了如何通过表面改性或负载氧化物，调控活性物种的产生，以实现对特定污染物的深度矿化或选择性转化。 第十章：器件集成与长期稳定性评估 最终章关注光催化系统的工程放大与实际应用。讨论了如何将纳米级催化剂集成到光反应器中，包括膜反应器、固定床反应器等设计。着重分析了催化剂失活机制（如光腐蚀、表面中毒和晶体烧结），并介绍了提高材料长期稳定性的钝化技术和自修复策略，为光催化技术的规模化应用提供工程视角。 --- 本书特点： 深度与广度兼备： 理论深度直抵第一性原理计算模拟结果，应用案例涵盖水分解、CO₂还原和环境净化三大前沿领域。 侧重界面工程： 强调载流子分离和界面反应动力学的核心作用，而非单一材料性能的简单堆砌。 面向前沿挑战： 系统梳理了当前领域内尚未完全解决的关键科学难题，如高选择性CO₂还原和长期运行稳定性问题。 本书适合高年级本科生、研究生、博士后研究人员以及从事新能源材料、环境化学、催化科学与工程领域的高级工程师阅读和参考。
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