硫化镉异质结光催化剂的固相法合成及其光催化产氢性能研究

发布时间：2018-04-13 07:16

本文选题：光催化产氢 + 硫化镉　；参考：《华中农业大学》2017年硕士论文

【摘要】：化石燃料的大量使用极大地促进了社会的发展,然而同时也导致了严重的环境问题和能源短缺问题。太阳能光催化技术是解决环境污染和能源短缺等问题的最具前途的手段之一。自从1972年Honda-Fujishima效应被发现以来,光催化产H_2的研究已经取得了众多的研究成果,但是截至目前,光催化分解水产氢效率还不能满足实际应用的要求。目前对提高光催化分解水产氢效率的研究主要分为两个方面:一方面,寻找并开发具有高活性、高效率的新型光催化半导体材料;另一方面,利用合适方法提高已有光催化半导体材料的光催化效率。CdS半导体材料由于具有合适的禁带宽度和能带结构,被认为是理想的光催化产H_2半导体材料之一,但是CdS光催化剂的载流子复合率高、光腐蚀现象严重,使CdS的光催化产氢活性并不能令人满意。具有二维结构的新型材料及具有合适能带结构的半导体材料与CdS复合有望得到具有增强的可见光光催化产氢活性的CdS复合半导体光催化材料。固相合成法相比于常规溶剂体系中的合成方法具有简单、高效、环保等优点,对光催化纳米材料的合成具有较强的应用价值。本论文重点研究了基于CdS的复合异质结光催化剂的低温固相法合成,探讨了CdS复合体系中异质结结构对体系光催化活性、抗光腐蚀性的影响,并提出了CdS复合体系光催化过程中载流子迁移转化的机理。研究具体内容主要分为以下两部分:第一,基于CdS的多元复合光催化剂能够通过各组分对光生载流子分离、转移的协同促进作用获得良好的光催化分解水产氢性能。利用简单、高效的低温固相法制备了CdS与新型二维半导体光催化剂g-C_3N_4及典型的p型半导体CuS构成的CdS/g-C_3N_4/CuS三组分复合光催化剂。优化后的CdS/g-C_3N_4/CuS三组分复合光催化剂的可见光光催化分解水产氢活性为57.56 umol·h-1,显著高于CdS,g-C_3N_4,Cu S中任意单一组分的可见光光催化分解水产氢活性。CdS/g-C_3N_4/CuS增强的光催化产氢活性的原因包括三个方面:首先,g-C_3N_4的类石墨烯结构以及g-C_3N_4与CdS之间构成的n-n型异质结结构促进了光生载流子的分离与传输;其次,CuS与CdS之间形成的p-n型异质结进一步促进了光生电子和光生空穴在空间上的分离;此外,三者互异的能带结构使复合体系对不同波长的光都有较好的利用率。本研究成功的利用低温固相法制备了基于CdS的三组分复合光催化剂,该CdS/g-C_3N_4/CuS催化剂中不同材料之间的协同作用使复合体系具有增强的载流子迁移与分离性能,从而获得增强的光催化产H_2活性。第二,CdS与ZnS、CuS等过渡金属硫化物(MS)构成固溶体结构、异质结结构能够显著增强体系的光催化产氢性能。论文进一步研究了CdS与ZnS、CuS分别构成的两组分复合材料的低温固相法合成及它们光催化产H_2性能。研究表明,低温固相法合成的CdS、ZnS均为立方晶相,而CuS为六方晶相,CdS与ZnS形成了可以任意比例互溶的立方相ZnxCd1-x S固溶体,而CdS与CuS形成了p-n型CdS/CuS异质结结构。ZnxCd1-xS固溶体在x取0.5时的可见光光催化分解水产H_2活性高达411.08 umol·h-1(λ≥420 nm),这是因为ZnxCd1-xS固溶体具有比CdS、ZnS更合适的能带结构,因而具有更低的光生载流子的复合率。调节CdS/CuS复合材料中CuS为最佳含量时,CdS/CuS的可见光光催化产氢活性为68.34 umol·h-1是CdS光催化产氢活性的5倍(λ≥420 nm),这是因为CdS/CuS复合材料中的p-n型异质结能够显著促进载流子在空间上的分离。这项研究不仅提供了一种简单、高效的一步固相法来合成CdS/MS复合光催化剂,还证明固溶体结构和p-n型异质结结构对于提高CdS/MS复合光催化剂的可见光光催化产氢活性的重要作用。
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【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;O644.1;TQ116.2

【参考文献】