基于硫化镉半导体纳米材料的光催化还原二氧化碳性能研究

发布时间：2017-04-14 14:06

  本文关键词：基于硫化镉半导体纳米材料的光催化还原二氧化碳性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：所谓光催化还原CO2就是光催化剂在太阳光照射下将CO2和H2O转化成碳氢化合物和氧气,实现太阳能向化学能的直接转换,因此又被成为“人工光合成”。这种方法既能提供新型能源有助于缓解目前的能源短缺,同时也有利于解决由CO2的过度排放带来的温室效应等一系列环境问题。光催化反应的发生需要同时满足反应热力学以及动力学的要求。能隙窄的半导体材料有更强的光吸收,能产生更多的光生载流子,但是半导体材料必须具有足够大的带隙使光生电子与空穴具有足够的氧化还原能力参与光催化反应。目前半导体光催化剂面临的最重要的两个难题在于其较低的太阳能转化效率和低的还原产物选择性。因此有必要发展具有可见光响应的高效率高选择性的光催化剂,并应用到光催化还原CO2中。半导体硫化物制备简单成本低廉,有着较好的可见光响应,并且其能带结构易于调控,因此有着广阔的光催化应用前景。CdS是一种典型的金属硫化物半导体,带隙大约2.4 eV,吸收带边位于520 nm,是一种非常常见的光催化剂,在水分解和二氧化碳还原等领域已经有广泛的应用。但是它也有着毒性大,光稳定性不高等缺点。因此,在CdS半导体材料的基础上,本文合成了Z型CdS/RGO/TiO2复合纳米材料,ZnxCd1-xS固溶体微球,以探索增强其光催化活性和选择性的可能方法,并对下一步工作的方向提供了思路。论文的主要内容如下：(1)在已经合成的CdS纳米微球的基础上,采用L-B-L等方法以RGO作为电子传输介质合成了全固态Z型光催化还原CO2体系CdSNPs/RGO/TiO2。在Z模型体系中,由于石墨烯极好的电子传输特性以及其独特的二维结构,为两个半导体提供了一条高效的载流子传输通道,CdS价带上的光生空穴与TiO2导带上的光生电子通过具有良好导电性的石墨烯复合,使得CdS上光生电子的复合被抑制,载流子的寿命得到了明显延长,光催化实验结果表明,CdS/RGO/TiO2复合纳米材料可将CO2高效的还原成CH4,其还原效率比CdS纳米微球提高了大约5倍。(2)使用表面活性剂PVP控制形貌,用共沉淀法合成了一系列直径为40～50 nm的ZnxCd1-xS固溶体微球,并在液相体系中光催化还原CO2,主要产物包括乙醛,甲醇,乙醇等。结果表明,液相还原CO2的产物与效率和固溶体的能带结构有很大关系,其中当x=0.2与x=0.8时,样品的效率较高,其中只有Zn0.8Cd0.2 S样品进一步生成了乙醇。其原因为：Zn0.8Cd0.2S样品拥有较大的带隙,从而有着较强的氧化还原能力,在样品表面形成了大量中间体,通过二聚作用生成乙醇。
【关键词】：光催化CO_2还原 Z模型 复合纳米材料 固溶体
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-29
• 1.1 引言9-10
• 1.2 光催化还原CO_2的基本原理10-14
• 1.2.1 光催化还原CO_2半导体光催化剂10-12
• 1.2.2 光催化还原CO_2反应机理12-13
• 1.2.3 半导体光催化剂CO_2还原的效率表征13-14
• 1.3 探究还原CO_2半导体光催化剂14-16
• 1.3.1 金属氧化物14-15
• 1.3.2 金属硫化物和磷化物15-16
• 1.3.3 其它半导体材料16
• 1.4 还原CO_2半导体光催化剂的调控16-19
• 1.4.1 异质结半导体光催化剂16-17
• 1.4.2 Z型半导体光催化剂17-18
• 1.4.3 固溶体光催化剂18-19
• 1.5 本论文的选题依据和主要研究内容19-21
• 1.5.1 论文的选题依据19
• 1.5.2 论文的研究内容19-21
• 参考文献21-29
• 第二章 实验部分29-35
• 2.1 主要化学试剂29
• 2.2 主要实验设备29-30
• 2.3 样品制备30
• 2.4 催化剂的物性表征30-34
• 2.4.1 粉末X射线衍射仪(XRD)30
• 2.4.2 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)30-31
• 2.4.3 透射电子显微镜(TEM)31
• 2.4.4 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)31
• 2.4.5 X射线光电子能谱(XPS)分析31
• 2.4.7 拉曼光谱(Raman)分析31
• 2.4.8 瞬态时间分辨荧光光谱分析31-32
• 2.4.9 光催化还原CO_2性能评价32-34
• 参考文献34-35
• 第三章 全固态Z型光催化体系CdS/RGO/TiO_2的合成及其光催化还原CO_2性能的研究35-46
• 3.1 引言35-36
• 3.2 实验部分36-37
• 3.2.1 Z型光催化体系CdS/RGO/TiO_2的制备36
• 3.2.2 测试和表征手段36-37
• 3.2.3 光催化性能评价37
• 3.3 实验结果讨论37-43
• 3.4 本章小结43-44
• 参考文献44-46
• 第四章 能带调控的Zn_xCd_(1_x)S固溶体及其液相中光催化还原CO_2的研究46-57
• 4.1 引言46-47
• 4.2 实验部分47-48
• 4.2.1 形貌均一的Zn_xCd_(1_x)S固溶体的制备47
• 4.2.2 测试和表征手段47
• 4.2.3 光催化性能评价47-48
• 4.3 实验结果讨论48-54
• 4.3.1 形貌和结构分析48-53
• 4.3.2 光催化还原CO_2性能评价53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 参考文献55-57
• 第五章 结论与展望57-59
• 5.1 主要结论57
• 5.2 展望57-59
• 攻读硕士期间获得的学术成果和奖励59-60
• 致谢60-61

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本文编号：306137