非贵金属负载的金属硫化物基光催化剂的制备及性能研究
发布时间：2021-08-09 09:37
当前,随着经济社会的快速发展和人类需求的升级,能源成为人类社会进步的一个重要指标,能源问题也一直备受人们的关注。探索清洁绿色的、环境友好的可再生能源成为世界研究者面临的极大挑战。这其中,氢能就是最好的候选者,而光催化分解水制氢技术就可以利用太阳光作为光源,在能源生产方面有很大的前景,它将完成太阳能与化学能之间的转化。本论文旨在通过设计和构筑一系列高性能、高稳定性的异质结结构,探索出半导体异质结界面与光生电荷迁移和分离以及光催化活性之间的内在联系。设计出一系列非贵金属为助催化剂的金属硫化物基复合物光催化剂,并将其应用到了分解水产氢性质研究。为今后非贵金属负载的光催化剂体系的设计和制备提供一定的有力数据支撑。本论文的研究内容主要是由以下四个部分组成:1.利用简便的溶剂热法合成CdS主催化剂,再分别以CuCl2?2H2O和Na2S2O3?5H2O为铜源和硫源,合成CuS助催化剂,将二者复合在一起形成CuS/CdS复合物,并通过优化CuS的最优负载量,得到最佳的光...
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化分解水制氢机理图[23]
内蒙古大学硕士研究生论文4方向。还有其他的一些氮化物材料在不断发掘，为光催化领域的材料方面提供更多的选择。部分磷化物也可被用作光催化分解水制氢的材料，Wang等人在纳米碳布上负载磷化钴纳米阵列，在太阳光照射下分解水，CoP核和纳米阵列形态对活性有显著的贡献，达到了很好的析氢析氧预期结果[48]。对于磷化物而言，更多的应用在电催化的研究上，并且还可以实现全解水。总的来说，上面提到的这些氧化物、硫化物、氮化物和磷化物都可以在可见光下分解水制氢，至于它们的活性需要不同的策略来改善，从而实现更大范围内的应用。在图1.2中给出了部分半导体的能带结构图以及水分解的氧化还原电势图。图1.2部分半导体能带结构以及导带价带位置图[49]。Figure1.2Thefigureofpartialsemiconductorenergybandstructureandconductionbandvalencebandlocation.1.2金属硫化物基材料的概述目前，半导体材料确实有很多种可用在光催化研究领域，但是这些半导体材料直接利用太阳光分解水制氢的效率一直都不是很高。因此，研究人员主要从以下几个方面来提高光催化效率，一、通过一些改性手段来提高对可见光的利用率。第二，采用制备多元复合半导体材料的形式以增加光生电子和空穴对的分离效率[50-52]。一直以来，国内外的一些专家组发现金属硫化物和硫化物固溶体在不同的牺牲试剂存在的条件下对光催化制氢效率都具有很高的研究价值，研究结果的报道也是层出不穷[53-56]，这是由于金属硫化物和硫化物固溶体作为一类良好的半导体材料，拥有较为合适的能带结构，所以广泛的被应用于光催化领域。这其中应用最为广泛的应该是硫化镉和硫化锌半导体以及它们形成的固溶体。
内蒙古大学硕士研究生论文5硫化镉（CdS）是n型半导体材料一个典型硫化物代表，带隙值在2.4eV左右，对于分解水制氢来讲具有合适的导带电势值，可以充分吸收太阳光中的可见光波段，有较高的太阳光利用率和光反应活性，CdS半导体不仅具有优异的光学性能，还有突出的电化学性能，作为可见光响应的光催化制氢材料吸引了研究者的眼球[57]。CdS的晶体结构主要以两种形式存在：立方晶系的闪锌矿型和六方晶系纤维锌矿型，结构示意图如下图1.3所示。另外，前人的研究工作证明闪锌矿型的CdS存在更小的纳米颗粒，随着颗粒的不断生长，开始出现纤维锌矿型的CdS，而六方晶系的CdS结构的热力学稳定性更优越[59]，各自具有优缺点。图1.3立方闪锌矿晶体结构和六方纤锌矿晶体结构的CdS[58]。Figure1.3TheschematicdiagramofcubiczineblendeCdSandsixwurtziteCdS.截至目前，对于CdS的光催化研究已经较为深入，无论是从形貌还是结构都报道了大量的文献。最近，Zhu等人采用简单的原位光沉积法在CdS纳米棒上沉积氧化镍形成复合催化剂，在可见光照射下最大产氢速率可达到了445.6μmolh-1，约为单一CdS的41倍和1.5wt％Pt/CdS的1.9倍。氧化镍负载在CdS颗粒上，形成了Ni2O3这种物质，它起到了电子捕获陷阱的作用，促进了光生电荷的分离[60]。Zhao等人成功地制备了基于三维有序大孔TiO2的三元光催化剂TiO2-Au-CdS，根据XRD结果和TEM分析，所得的3DOMTiO2-Au-CdS粉末具有纯的锐钛矿相TiO2和绿岩结构的CdS,通过电镜可以清晰地观察到Au纳米颗粒（AuNPs）和CdS均匀分布在3DOM结构中，这样的形态分布可以改善光收集和利用其传质促进作用，提高了可见光下的H2生成速率。本工作证明了3DOM结构具有增强光吸收的协同效应，同时AuNPs纳米粒子储存效应以及CdS降低载流子的复合速率，提高了光?
【参考文献】：
期刊论文
[1]CdS修饰的一维g-C3N4多孔纳米管在光催化降解污染物和产氢中的应用（英文）[J]. 种奔,陈雷,韩德志,王亮,冯丽娟,李勤,李春虎,王文泰. 催化学报. 2019(06)
[2]g-C3N4界面改性:掺杂金属硫化物构建新型异质结光催化剂的能源转换展望（英文）[J]. 任亦杰,曾德乾,Wee-Jun Ong. 催化学报. 2019(03)
[3]三元NiS/CQDs/ZnIn2S4 光催化体系的合理设计及其产氢性能（英文）[J]. 王冰清,丁瑶,邓子榕,李朝晖. 催化学报. 2019(03)
[4]基于掺Zn氮化碳和BiVO4构建Z型光催化系统实现完全分解水（英文）[J]. 秦臻,房文健,刘军营,韦之栋,江治,上官文峰. 催化学报. 2018(03)
[5]半导体光解水制氢研究:现状、挑战及展望[J]. 谢英鹏,王国胜,张恩磊,张翔. 无机化学学报. 2017(02)
[6]锰掺杂硒硫化镉光阳极的制备与光电性能[J]. 白述铭,田建华,马换梅,朱坤磊,单忠强. 无机化学学报. 2015(07)
[7]复合光催化剂CdS-Pt/TiO2制备及可见光光解海水制氢性能[J]. 彭绍琴,刘晓燕,丁敏,李越湘. 分子催化. 2013(05)
[8]MnS光催化剂的制备及其产氢性能[J]. 吴晓东,孙晓君,魏金枝,刘婧婧,霍伟光. 哈尔滨理工大学学报. 2013(03)
[9]不同晶型纳米CdS的合成及其光催化活性[J]. 丁优仙,于迎春,刘建军,左胜利. 化学研究. 2009(02)
[10]半导体氧化物光催化裂解水制氢[J]. 黄昀,吴季怀. 化学进展. 2006(Z2)
本文编号：3331829
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光催化分解水制氢机理图[23]
内蒙古大学硕士研究生论文4方向。还有其他的一些氮化物材料在不断发掘，为光催化领域的材料方面提供更多的选择。部分磷化物也可被用作光催化分解水制氢的材料，Wang等人在纳米碳布上负载磷化钴纳米阵列，在太阳光照射下分解水，CoP核和纳米阵列形态对活性有显著的贡献，达到了很好的析氢析氧预期结果[48]。对于磷化物而言，更多的应用在电催化的研究上，并且还可以实现全解水。总的来说，上面提到的这些氧化物、硫化物、氮化物和磷化物都可以在可见光下分解水制氢，至于它们的活性需要不同的策略来改善，从而实现更大范围内的应用。在图1.2中给出了部分半导体的能带结构图以及水分解的氧化还原电势图。图1.2部分半导体能带结构以及导带价带位置图[49]。Figure1.2Thefigureofpartialsemiconductorenergybandstructureandconductionbandvalencebandlocation.1.2金属硫化物基材料的概述目前，半导体材料确实有很多种可用在光催化研究领域，但是这些半导体材料直接利用太阳光分解水制氢的效率一直都不是很高。因此，研究人员主要从以下几个方面来提高光催化效率，一、通过一些改性手段来提高对可见光的利用率。第二，采用制备多元复合半导体材料的形式以增加光生电子和空穴对的分离效率[50-52]。一直以来，国内外的一些专家组发现金属硫化物和硫化物固溶体在不同的牺牲试剂存在的条件下对光催化制氢效率都具有很高的研究价值，研究结果的报道也是层出不穷[53-56]，这是由于金属硫化物和硫化物固溶体作为一类良好的半导体材料，拥有较为合适的能带结构，所以广泛的被应用于光催化领域。这其中应用最为广泛的应该是硫化镉和硫化锌半导体以及它们形成的固溶体。
内蒙古大学硕士研究生论文5硫化镉（CdS）是n型半导体材料一个典型硫化物代表，带隙值在2.4eV左右，对于分解水制氢来讲具有合适的导带电势值，可以充分吸收太阳光中的可见光波段，有较高的太阳光利用率和光反应活性，CdS半导体不仅具有优异的光学性能，还有突出的电化学性能，作为可见光响应的光催化制氢材料吸引了研究者的眼球[57]。CdS的晶体结构主要以两种形式存在：立方晶系的闪锌矿型和六方晶系纤维锌矿型，结构示意图如下图1.3所示。另外，前人的研究工作证明闪锌矿型的CdS存在更小的纳米颗粒，随着颗粒的不断生长，开始出现纤维锌矿型的CdS，而六方晶系的CdS结构的热力学稳定性更优越[59]，各自具有优缺点。图1.3立方闪锌矿晶体结构和六方纤锌矿晶体结构的CdS[58]。Figure1.3TheschematicdiagramofcubiczineblendeCdSandsixwurtziteCdS.截至目前，对于CdS的光催化研究已经较为深入，无论是从形貌还是结构都报道了大量的文献。最近，Zhu等人采用简单的原位光沉积法在CdS纳米棒上沉积氧化镍形成复合催化剂，在可见光照射下最大产氢速率可达到了445.6μmolh-1，约为单一CdS的41倍和1.5wt％Pt/CdS的1.9倍。氧化镍负载在CdS颗粒上，形成了Ni2O3这种物质，它起到了电子捕获陷阱的作用，促进了光生电荷的分离[60]。Zhao等人成功地制备了基于三维有序大孔TiO2的三元光催化剂TiO2-Au-CdS，根据XRD结果和TEM分析，所得的3DOMTiO2-Au-CdS粉末具有纯的锐钛矿相TiO2和绿岩结构的CdS,通过电镜可以清晰地观察到Au纳米颗粒（AuNPs）和CdS均匀分布在3DOM结构中，这样的形态分布可以改善光收集和利用其传质促进作用，提高了可见光下的H2生成速率。本工作证明了3DOM结构具有增强光吸收的协同效应，同时AuNPs纳米粒子储存效应以及CdS降低载流子的复合速率，提高了光?
【参考文献】：
期刊论文
[1]CdS修饰的一维g-C3N4多孔纳米管在光催化降解污染物和产氢中的应用（英文）[J]. 种奔,陈雷,韩德志,王亮,冯丽娟,李勤,李春虎,王文泰. 催化学报. 2019(06)
[2]g-C3N4界面改性:掺杂金属硫化物构建新型异质结光催化剂的能源转换展望（英文）[J]. 任亦杰,曾德乾,Wee-Jun Ong. 催化学报. 2019(03)
[3]三元NiS/CQDs/ZnIn2S4 光催化体系的合理设计及其产氢性能（英文）[J]. 王冰清,丁瑶,邓子榕,李朝晖. 催化学报. 2019(03)
[4]基于掺Zn氮化碳和BiVO4构建Z型光催化系统实现完全分解水（英文）[J]. 秦臻,房文健,刘军营,韦之栋,江治,上官文峰. 催化学报. 2018(03)
[5]半导体光解水制氢研究:现状、挑战及展望[J]. 谢英鹏,王国胜,张恩磊,张翔. 无机化学学报. 2017(02)
[6]锰掺杂硒硫化镉光阳极的制备与光电性能[J]. 白述铭,田建华,马换梅,朱坤磊,单忠强. 无机化学学报. 2015(07)
[7]复合光催化剂CdS-Pt/TiO2制备及可见光光解海水制氢性能[J]. 彭绍琴,刘晓燕,丁敏,李越湘. 分子催化. 2013(05)
[8]MnS光催化剂的制备及其产氢性能[J]. 吴晓东,孙晓君,魏金枝,刘婧婧,霍伟光. 哈尔滨理工大学学报. 2013(03)
[9]不同晶型纳米CdS的合成及其光催化活性[J]. 丁优仙,于迎春,刘建军,左胜利. 化学研究. 2009(02)
[10]半导体氧化物光催化裂解水制氢[J]. 黄昀,吴季怀. 化学进展. 2006(Z2)
本文编号：3331829
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