可见光分解水制氢高效硫化物复合催化剂的研究

发布时间：2017-09-16 10:23

  本文关键词：可见光分解水制氢高效硫化物复合催化剂的研究

  更多相关文章： 光催化 硫化镉 分解水制氢 纳米粒子 表面等离子体效应

【摘要】：利用太阳能分解水制氢是解决能源短缺及环境污染问题的理想途径之一,适用于这一途径的半导体基光催化剂的开发一直受到人们的广泛关注。虽然近年来相关研究已取得较大进展,但催化剂的效率仍然很低,制约着光催化分解水制氢反应的发展。本论文从光催化剂的设计角度入手,以提高半导体光生载流子分离和传输效率为目标,构建了两种结构较为新颖的硫化物复合催化剂,它们在可见光分解水制氢反应中表现出较高的量子效率和稳定性,甚至可以在无助催化剂的条件下实现高效光催化产氢,具体工作如下:(1)将具有表面等离子效应的Au纳米粒子镶嵌于Cd S半导体内部(Au@Cd S),以期充分利用Au纳米粒子在表面等离子共振条件下所产生的电磁场,达到提高Cd S光生电子-空穴的分离和传输效率的目的。Au@Cd S采用水热合成的方法制备,10-15 nm的Au粒子相对均匀地分散在Cd S内部,需要指出的是稳定Au粒子的保护剂所形成绝缘层可以阻断界面间的电子传输,而并不影响电磁场的能量传输。荧光光谱显示Au@Cd S中光生电子-空穴的效率和寿命明显高于单纯的Cd S催化剂,光催化结果显示Au@Cd S在以硫化钠和亚硫酸钠为牺牲试剂的可见光产氢反应中表现出较高的催化性能,在不采用其它助催化剂的条件下,Au@Cd S的可见光产氢量子效率达到12.1%(λ=420nm),明显优于Cd S以及将相同的Au纳米粒子担载于Cd S表面的催化剂的性能;在担载0.1wt%Pt条件下,产氢的量子效率可以提高到45.6%左右,而且在考察的100 h的反应时间内没有失活现象发生,与Cd S催化剂相比,稳定性得到了较大提升。(2)将Cd S纳米粒子限域生长于相对惰性的介孔Si O2载体表面(Cd S/Si O2),首先采用柠檬酸存在条件下的溶胶-凝胶法制备出粒子分布均一的Cd O/Si O2前驱体,之后通过在Na2S溶液中阴离子交换的方法在Si O2的介孔孔道内获得Cd S纳米粒子,电镜结果显示Cd S的粒子大小在8-10nm左右。可见光催化产氢结果显示在无助催化剂的条件下,Cd S/Si O2的最高产氢量子效率可以达到42%,显著优于相同条件下块体Cd S的性能以及文献报道的无助催化剂条件下Cd S体系催化剂的结果。荧光光谱结果显示Cd S/Si O2中Cd S的粒子表面存在一定量缺陷位,有利于捕获光生电子,并可能作为光催化产氢的活性中心,发挥了助催化剂的作用。目前这一策略已推广到其它金属硫化物光催化剂制备。综上,本论文采用两种策略获得了光催化产氢性能较高的硫化物半导体催化剂,这些工作将为进一步构建高效光催化分解水催化剂提供一定借鉴和指导。
【关键词】：光催化 硫化镉 分解水制氢 纳米粒子 表面等离子体效应
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-65
• 1.1 引言11
• 1.2 光催化分解水基本原理11-15
• 1.2.1 光催化分解水主要过程12-13
• 1.2.2 光催化分解水评价指标13-15
• 1.3 半导体光催化剂研究进展15-24
• 1.3.1 宽禁带半导体16-19
• 1.3.2 窄禁带半导体19-24
• 1.4 提高半导体光催化剂催化效率方法24-37
• 1.4.1 提高吸光性能，，拓展吸光范围24-27
• 1.4.2 提高电荷传输速度及分离效率27-37
• 1.5 本课题的目的和意义37-39
• 参考文献39-65
• 第二章 实验部分65-71
• 2.1 主要试剂和原料65-66
• 2.2 实验仪器66
• 2.3 催化剂的制备66
• 2.4 催化剂的表征方法和测试手段66-68
• 2.4.1 X射线粉末衍射（XRD）66-67
• 2.4.2 紫外可见光谱（UV-vis）67
• 2.4.3 氮吸附脱附实验（N_2 adsorption-desorption）67
• 2.4.4 扫描电子显微镜（SEM）67
• 2.4.5 透射电子显微镜（TEM）和高分辨电镜（HRTEM）67
• 2.4.6 X射线光电子能谱（XPS）67
• 2.4.7 荧光光谱表征（PL）67-68
• 2.4.8 表面光电压表征（SPV）68
• 2.5 光催化制氢反应68-71
• 2.5.1 光催化反应装置68-69
• 2.5.2 Na2S-Na2SO3体系的光催化反应69
• 2.5.3 量子效率的计算69-71
• 第三章 表面等离子体Au纳米粒子镶嵌于CdS内部对光催化产氢性能及稳定性的提高71-89
• 3.1 引言71-72
• 3.2 Au@CdS催化剂的制备72-73
• 3.2.1 Au胶体的制备72
• 3.2.2 Au@CdS催化剂的制备72-73
• 3.3 结果与讨论73-84
• 3.3.1 Au胶体的表征73-74
• 3.3.2 Au@CdS催化剂的形貌结构表征74-76
• 3.3.3 Au@CdS催化剂的光学性质76-77
• 3.3.4 Au@CdS催化剂的光催化性能77-79
• 3.3.5 Au@CdS催化剂的高效光催化性能机理的探索79-84
• 3.4 本章小结84-86
• 参考文献86-89
• 第四章 限域生长的CdS无助催化剂高效光催化产氢性能的研究89-109
• 4.1 引言89-90
• 4.2 CdS/SiO_2复合光催化剂的制备90-91
• 4.2.1 CdO/SiO_2的制备90
• 4.2.2 CdS/SiO_2的制备90-91
• 4.2.3 不同金属硫化物催化体系的制备91
• 4.3 结果与讨论91-106
• 4.3.1 催化剂形貌结构表征91-94
• 4.3.2 紫外可见漫反射吸收光谱94
• 4.3.3 无助催化剂条件下CdS/SiO_2催化剂的光催化产氢活性94-101
• 4.3.4 CdS/SiO_2催化剂优异产氢性能机理探究101-104
• 4.3.5 MS/SiO_2催化剂产氢性能的评测及表征104-106
• 4.4 本章小结106-107
• 参考文献107-109
• 结论与展望109-112
• 1. 结论109-110
• 2. 展望110-112
• 作者简历112-113
• 在学期间所取得的科研成果113-114
• 致谢114

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