硫化鎘異質(zhì)結(jié)光催化劑的固相法合成及其光催化產(chǎn)氫性能研究.pdf

1、化石燃料的大量使用極大地促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展，然而同時(shí)也導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和能源短缺問(wèn)題。太陽(yáng)能光催化技術(shù)是解決環(huán)境污染和能源短缺等問(wèn)題的最具前途的手段之一。自從1972年Honda-Fujishima效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，光催化產(chǎn)H2的研究已經(jīng)取得了眾多的研究成果，但是截至目前，光催化分解水產(chǎn)氫效率還不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。目前對(duì)提高光催化分解水產(chǎn)氫效率的研究主要分為兩個(gè)方面:一方面，尋找并開發(fā)具有高活性、高效率的新型光催化半導(dǎo)體材料;另一方

2、面，利用合適方法提高已有光催化半導(dǎo)體材料的光催化效率。CdS半導(dǎo)體材料由于具有合適的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是理想的光催化產(chǎn)H2半導(dǎo)體材料之一，但是CdS光催化劑的載流子復(fù)合率高、光腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，使CdS的光催化產(chǎn)氫活性并不能令人滿意。具有二維結(jié)構(gòu)的新型材料及具有合適能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料與CdS復(fù)合有望得到具有增強(qiáng)的可見(jiàn)光光催化產(chǎn)氫活性的CdS復(fù)合半導(dǎo)體光催化材料。固相合成法相比于常規(guī)溶劑體系中的合成方法具有簡(jiǎn)單、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)

3、光催化納米材料的合成具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。本論文重點(diǎn)研究了基于CdS的復(fù)合異質(zhì)結(jié)光催化劑的低溫固相法合成，探討了CdS復(fù)合體系中異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)體系光催化活性、抗光腐蝕性的影響，并提出了CdS復(fù)合體系光催化過(guò)程中載流子遷移轉(zhuǎn)化的機(jī)理。研究具體內(nèi)容主要分為以下兩部分:
　　第一，基于CdS的多元復(fù)合光催化劑能夠通過(guò)各組分對(duì)光生載流子分離、轉(zhuǎn)移的協(xié)同促進(jìn)作用獲得良好的光催化分解水產(chǎn)氫性能。利用簡(jiǎn)單、高效的低溫固相法制備了CdS與新型二維半導(dǎo)

4、體光催化劑g-C3N4及典型的p型半導(dǎo)體CuS構(gòu)成的CdS/g-C3N4/CuS三組分復(fù)合光催化劑。優(yōu)化后的CdS/g-C3N4/CuS三組分復(fù)合光催化劑的可見(jiàn)光光催化分解水產(chǎn)氫活性為57.56 umol·h-1，顯著高于CdS，g-C3N4，CuS中任意單一組分的可見(jiàn)光光催化分解水產(chǎn)氫活性。CdS/g-C3N4/CuS增強(qiáng)的光催化產(chǎn)氫活性的原因包括三個(gè)方面:首先，g-C3N4的類石墨烯結(jié)構(gòu)以及g-C3N4與CdS之間構(gòu)成的n-n型異質(zhì)

5、結(jié)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了光生載流子的分離與傳輸;其次，CuS與CdS之間形成的p-n型異質(zhì)結(jié)進(jìn)一步促進(jìn)了光生電子和光生空穴在空間上的分離;此外，三者互異的能帶結(jié)構(gòu)使復(fù)合體系對(duì)不同波長(zhǎng)的光都有較好的利用率。本研究成功的利用低溫固相法制備了基于CdS的三組分復(fù)合光催化劑，該CdS/g-C3N4/CuS催化劑中不同材料之間的協(xié)同作用使復(fù)合體系具有增強(qiáng)的載流子遷移與分離性能，從而獲得增強(qiáng)的光催化產(chǎn)H2活性。
　　第二，CdS與ZnS、CuS等過(guò)渡金屬

6、硫化物(MS)構(gòu)成固溶體結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能夠顯著增強(qiáng)體系的光催化產(chǎn)氫性能。論文進(jìn)一步研究了CdS與ZnS、CuS分別構(gòu)成的兩組分復(fù)合材料的低溫固相法合成及它們光催化產(chǎn)H2性能。研究表明，低溫固相法合成的CdS、ZnS均為立方晶相，而CuS為六方晶相，CdS與ZnS形成了可以任意比例互溶的立方相ZnxCd1-xS固溶體，而CdS與CuS形成了p-n型CdS/CuS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。ZnxCd1-xS固溶體在x取0.5時(shí)的可見(jiàn)光光催化分解水產(chǎn)H2

7、活性高達(dá)411.08 umol·h-1(λ≥420 nm)，這是因?yàn)閆nxCd1-xS固溶體具有比CdS、ZnS更合適的能帶結(jié)構(gòu)，因而具有更低的光生載流子的復(fù)合率。調(diào)節(jié)CdS/CuS復(fù)合材料中CuS為最佳含量時(shí)，CdS/CuS的可見(jiàn)光光催化產(chǎn)氫活性為68.34 umol·h-1是CdS光催化產(chǎn)氫活性的5倍（λ≥420 nm），這是因?yàn)镃dS/CuS復(fù)合材料中的p-n型異質(zhì)結(jié)能夠顯著促進(jìn)載流子在空間上的分離。這項(xiàng)研究不僅提供了一種簡(jiǎn)單、高