甲烷是矿井瓦斯的主要成分,瓦斯事故会导致窒息、火灾、爆炸等灾害,造成大量人员伤亡和财产损失。目前,我国煤矿瓦斯防治主要通过通风、抽放等物理方法,但该类方法无法满足防治煤矿瓦斯灾害的安全要求。同时甲烷也是一种温室气体,其排放在一定程度上造成了全球变暖和气候变化。因此甲烷的转化和利用多年来一直是国内外学者的研究热点。本文基于半导体能级理论以及载流子运移理论对纳米ZnO及其复合催化剂进行了设计与制备,并对其光电催化氧化甲烷的性能及机理展开研究,探索常温常压下甲烷的绿色经济转化方式。基于半导体能级理论及热力学理论展开量子化学相关计算,对各半导体催化剂及甲烷氧化进行能级匹配,确定纳米ZnO作为光电催化氧化甲烷的基础催化剂。建立了纳米ZnO光电催化氧化甲烷光生载流子运移模型,探明了此过程中光生载流子运移机制。基于纳米ZnO光生载流子行为调控界面工程,制定了对ZnO修饰等离子体金属纳米粒子、插入高导电层以及构筑p-n结等优化方法。搭建了甲烷光电催化氧化实验系统,制备了纳米ZnO以及ZnO/Au、ZnO/石墨烯(GR)、ZnO/聚苯胺(PANI)复合催化剂。开展了纳米ZnO及其复合催化剂的形貌、结构及光吸收性能研究。结果表明纳米ZnO垂直排列的一维棒状微观结构暴露了更多化学活性位点,有利于甲烷分子的吸附与反应;而纳米Au颗粒、GR薄膜以及絮状PANI的复合可以进一步增大催化剂表面积,同时增强了复合催化剂对可见光的吸收,从而提高了对模拟阳光的利用率,有利于甲烷氧化反应的进行。研究了纳米ZnO及其复合催化剂光电催化氧化甲烷的表面微观反应过程、光响应性能及强度、光生载流子传输阻抗、载流子浓度以及电化学活性面积等光电化学性能:纳米ZnO催化剂催化氧化甲烷过程对应光电流为0.17mA cm-2;光生载流子传输阻抗为暗态下39225Ω、光态下17307Ω;载流子浓度为2.18×1017 cm-3;电化学活性面积为0.0405 mF cm-2;复合了纳米Au颗粒、GR薄膜以及絮状PANI后的催化剂与纯ZnO相比光电流有所提高,光生载流子传输阻抗降低,载流子浓度增加,电化学活性面积增大,表明复合催化剂的光电化学性能全面提升。开展了纳米ZnO及其复合催化剂光电催化氧化甲烷反应产物及反应效率的测试与研究。结果表明:纳米ZnO以及ZnO/Au光电催化氧化甲烷反应主要产物为甲醇,对应法拉第效率分别为10.48%和35.19%;ZnO/GR以及ZnO/PANI光电催化氧化甲烷反应主要产物为甲醇和甲酸,对应转化为甲醇的法拉第效率分别为11.74%,15.02%;对应转化为甲酸的法拉第效率分别为39.44%,43.83%。基于反应产物建立了各催化剂光电催化氧化甲烷光生载流子运移模型,揭示了光生空穴的产生及其氧化甲烷的机理,明确了甲烷转化为甲醇及甲酸的反应路径。论文设计并制备了纳米ZnO以及ZnO/Au、ZnO/GR、ZnO/PANI复合催化剂,研究并对比了上述催化剂光电催化氧化甲烷的性能;揭示了光生空穴氧化甲烷的机理,对矿井瓦斯的处理与综合利用以及清洁能源的开发提出了新思路。