硫化锌基光催化剂的水热制备、改性及光催化性能研究

发布时间：2017-07-08 01:17

  本文关键词：硫化锌基光催化剂的水热制备、改性及光催化性能研究

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【摘要】：为提高ZnS半导体材料对太阳光的利用率,改善光生电子和空穴复合速率快的问题,本文采用水热法,通过形成固溶体、离子掺杂和半导体复合改性制备ZnS基光催化剂,利用XRD、SEM、TEM、XPS和粒度分析仪等对样品的结构和形貌进行分析,利用UV-Probe研究样品的光学特性,并在含0.35 mol/L Na_2S和0.25mol/L Na_2SO_3的200 ml水溶液体系中评价样品的光催化制氢活性,分析了催化剂的光催化制氢机制。水热法制备了立方闪锌矿结构的Zn_(0.83)Cd_(0.17)S固溶体亚微米球。温度不高于160℃得到的是均相Zn_(0.83)Cd_(0.17)S固溶体,180℃时得到的是Zn_(0.83)Cd_(0.17)S固溶体和ZnS的混合相。温度的升高提高了固溶体的结晶度,Cd的含量逐渐增多,晶面间距逐渐变大,吸收边逐渐红移。水热时间对样品的相组成和形貌影响不大,水热时间延长,样品的结晶度和吸收边先增大后减小,12 h时样品结晶度最高、吸收边红移最大。固溶体的量对光催化性能也有影响,当温度为160℃,时间为12 h制备的样品在用量为0.03 g时,光催化活性最好,产氢速率为45.97 mmol·h~(-1)·g~(-1)。在水热反应溶液加入不同量的镍离子,制备了两类光催化剂:当Ni的含量不大于0.1时,Ni2+能够掺杂到ZnS的晶格中形成Zn_(1-x)Ni_xS光催化剂,当高于0.1时,形成ZnS/Ni_xSy复合材料。不论是Ni掺杂还是形成复合材料,都能提高样品在可见光区的吸收强度,同时提高ZnS的光催化制氢活性,并且前者优于后者。通过改变水热温度和时间,得到Ni掺杂量为0.02时Zn_(0.98)Ni_(0.02)S光催化剂的优化工艺:温度为180℃、时间为12 h。该条件下所制备的样品表现出最好的光催化活性,产氢速率为457.11μmol·h~(-1)·g~(-1)。将水热法制备的MoS_2纳米片加入到含有锌盐、镍盐和硫脲的溶液中,制备了Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2复合材料,MoS_2的引入使Zn_(0.98)Ni_(0.02)S样品的吸收边红移,在可见光区的吸收强度增加。当MoS_2的制备时间为30 h,复合量为0.02 g时,光催化活性最好,产氢速率为887.40μmol·h~(-1)·g~(-1),是复合MoS_2前的2倍多。
【关键词】：Zn_(0.83)Cd_(0.17)S固溶体 Zn_(1-x)Ni_xS Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2 水热 光催化制氢
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义10-11
• 1.2. ZnS半导体材料研究概述11-16
• 1.2.1 ZnS的制备方法11-12
• 1.2.2 ZnS的应用12-14
• 1.2.3 ZnS在光催化剂领域的应用及存在的问题14-16
• 1.3 硫化物固溶体研究概况16-21
• 1.3.1 硫化物固溶体的制备16-17
• 1.3.2 硫化物固溶体在光催化领域的应用17-21
• 1.4 离子掺杂的半导体光催化剂研究概况21-23
• 1.5 复合半导体的研究概况23-24
• 1.6 本课题研究的主要内容24-26
• 第2章 实验材料及研究方法26-31
• 2.1 实验试剂、材料及设备26-27
• 2.1.1 实验材料与试剂26
• 2.1.2 实验设备26-27
• 2.2 实验步骤27-28
• 2.2.1 Zn_(0.83)Cd_(0.17)S固溶体的制备27
• 2.2.2 Ni改性的ZnS的制备27
• 2.2.3 Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2复合材料的制备27-28
• 2.3 样品的表征方法28-29
• 2.3.1 X射线衍射分析（XRD）28
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）28
• 2.3.3 透射电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜（TEM、HRTEM）28
• 2.3.4 X 射线光电子能谱（XPS）28
• 2.3.5 粒度分布测试28-29
• 2.3.6 比表面积测试（BET）29
• 2.3.7 紫外可见漫反射吸收光谱（DRS）29
• 2.4 催化剂光催化制氢性能的评价29-31
• 2.4.1 光催化制氢装置29-30
• 2.4.2 光催化制氢测试30-31
• 第3章 Zn_(0.83)Cd_(0.17)S固溶体的制备、表征及光催化性能31-44
• 3.1 温度对Zn_(0.83)Cd_(0.17)S固溶体结构和形貌的影响31-36
• 3.1.1 不同温度Zn_(0.83)Cd_(0.17)S的XRD分析31-32
• 3.1.2 不同温度Zn_(0.83)Cd_(0.17)S的XPS分析32-33
• 3.1.3 不同温度Zn_(0.83)Cd_(0.17)S的形貌分析33-35
• 3.1.4 不同温度Zn_(0.83)Cd_(0.17)S的粒径和孔径分析35-36
• 3.2 时间对Zn_(0.83)Cd_(0.17)S固溶体结构和形貌的影响36-38
• 3.2.1 不同时间Zn_(0.83)Cd_(0.17)S的XRD分析37
• 3.2.2 不同时间Zn_(0.83)Cd_(0.17)S的形貌分析37-38
• 3.3 不同温度和时间Zn_(0.83)Cd_(0.17)S的光吸收特性38-40
• 3.4 不同温度和时间Zn_(0.83)Cd_(0.17)S的光催化性能40-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 Ni改性ZnS的制备、表征及光催化性能44-64
• 4.1 不同Zn/Ni投料比条件下光催化剂的相组成分析44-45
• 4.2 Zn_(1-x)Ni_xS光催化剂的结构表征及光催化性能45-52
• 4.2.1 Zn_(1-x)Ni_xS的形貌与结构45-50
• 4.2.2 Zn_(1-x)Ni_xS的光吸收特性及光催化性能50-52
• 4.3 ZnS/Ni_xS_y光催化剂的结构表征与光催化性能52-55
• 4.3.1 ZnS/Ni_xS_y的形貌与结构52-53
• 4.3.2 ZnS/Ni_xS_y的光吸收特性和光催化性能53-55
• 4.4 温度对Zn_(0.98)Ni_(0.02)S光催化剂结构和性能的影响55-59
• 4.4.1 不同温度Zn_(0.98)Ni_(0.02)S的XRD分析56
• 4.4.2 不同温度Zn_(0.98)Ni_(0.02)S的形貌分析56-57
• 4.4.3 不同温度Zn_(0.98)Ni_(0.02)S的光吸收特性和光催化性能57-59
• 4.5 时间对Zn_(0.98)Ni_(0.02)S光催化剂结构和性能的影响59-62
• 4.5.1 不同时间Zn_(0.98)Ni_(0.02)S的XRD分析59-60
• 4.5.2 不同时间Zn_(0.98)Ni_(0.02)S的形貌分析60-61
• 4.5.3 不同时间Zn_(0.98)Ni_(0.02)S的光吸收特性和光催化性能61-62
• 4.6 本章小结62-64
• 第5章 Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2的制备、表征及光催化性能64-79
• 5.1 MoS_2纳米片的结构和形貌表征64-66
• 5.2 MoS_2复合量对Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2复合材料结构和性能的影响66-73
• 5.2.1 不同MoS_2复合量Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2的结构表征66-70
• 5.2.2 不同MoS_2复合量Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2的光吸收特性70-71
• 5.2.3 不同MoS_2复合量Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2的光催化性能71-72
• 5.2.4 Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2的光催化产氢机制分析72-73
• 5.3 MoS_2制备时间对Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2复合材料结构和性能的影响73-77
• 5.3.1 不同MoS_2制备时间Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2的结构表征73-75
• 5.3.2 不同MoS_2制备时间Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2的光吸收特性75-76
• 5.3.3 不同MoS_2制备时间Zn_(0.98)Ni_(0.02)S/MoS_2的光催化性能76-77
• 5.4 本章小结77-79
• 结论79-81
• 参考文献81-90
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果90-92
• 致谢92

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本文编号：532565