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日益恶化的环境污染和能源短缺成为摆在全人类面前的两大难题，为了人类社会的可持续发展，迫切需要发展环境友好型的去除污染技术和寻找可再生的清洁能源。半导体光催化由于其容易利用来自太阳光或者人工光源的能量，在解决环境污染和能源短缺问题上具有巨大的应用前景。化合物半导体材料ZnS在光解水制氢、光降解和光还原有害物、有机光合成和光电化学转换等方面有着广阔的应用前景。ZnS是典型的直接带隙Ⅱ—Ⅵ族宽禁带半导体，理论上其光生载流子产生效率要高于二氧化钛，然而其主要缺点在于见光的不稳定性，通过对其复合、负载、化学镀膜等过程改变其表面的微环境，从而改善材料的光稳定性。另外，课题组先前的研究也发现在一定的热力学稳定条件下通过热力学循环再生方式可以有效提高ZnS材料的利用效率。本论文是建立在先前课题组的工作基础之上，继续探索了与ZnS材料相关的基础科学问题，研究了ZnS材料晶格内部缺陷和相态变化对其光催化活性的影响，并在此研究基础上通过进一步优化处理探索了其在光催化制氢方面的应用。另外，基于材料科学研究的基础，论文还对ZnO-P2O5-MoO3三元体系相图进行了研究。
本论文工作的主要研究内容和创新之处如下:
1.首先论文以一个具有自支撑微球结构的硫化锌光催化剂做为研究对象，通过真空退火处理，得到了一系列不同内部晶格结构、形貌和相组成的样品，通过对样品进行系统性地分析，研究了其内部缺陷情况、晶格完整度、相态等因素对材料光催化性能的影响。研究发现在保持原始六方相态、尺寸和形貌不变的前提下，通过在150℃低温真空退火处理能导致材料的光催化效能的有效提高，通过对样品XRD、SEM、TEM、BET的数据分析发现光催化效能的提高与材料的晶格内部缺陷密切相关，材料晶格内部缺陷的减少有利于提高其光催化性能。对于这现象，我们认为在光生载流子的分离和迁移过程，晶格内部缺陷会成为光生电子和空穴的复合中心，使得迁移至半导体表面的载流子数目减少，进而影响光催化反应的进行，而真空退火处理通过热振动使晶格内部原子重整达到减少晶格缺陷的目的。当提高退火温度使材料粒径长大而且相态基本转变为立方相后，发现相态的变化也会影响材料的光催化活性。
2.水热合成的ZnS纳米材料本身倾向于含有较多的S空位缺陷，单纯通过真空加热退火处理并不能有效地去除，论文进一步对ZnS材料进行了优化，在S气氛条件下控制退火时间和温度，研究了包括晶格完整度和相态在内的不同因素对材料光催化制氢活性的影响。在低温S气氛退火条件下，保持原始六方相态、形貌和尺寸基本不变，发现一定时间的S气氛退火同样有利于完善材料的结晶度，相比真空退火的ZnS样品的光催化活性有了更进一步地提高，同时探讨了真空退火与S气氛退火的区别。另外，还研究了不同相态ZnS（六方相和立方相）的光催化产氢活性，发现在相同尺寸条件下六方相ZnS的光催化产氢活性要优于立方相ZnS，论文从六方ZnS的极化电场角度对这一现象进行了解释。
3.作为材料科学研究的基础，论文还对ZnO-P2O5-MoO3三元体系相图进行了研究，以期寻找到合适的ZnO单晶生长助熔剂。该体系存在七个已知的二元化合物，无三元化合物，可以划分为八个三相区。研究表明三元体系中可能存在适合ZnO单晶生长的助熔剂配比，对该配比进行了初步的探讨。该研究对熔盐法生长ZnO单晶提供了必要的试验数据和理论指导。