基于ZnCdS光催化剂制备及其光解水制氢的性能研究
发布时间：2021-12-19 05:31
随着人们环保意识的增强和能源消耗的加剧,可再生能源的开发引起了人们广泛的关注。太阳能是一种辐射能,不带任何化学物质,是最洁净,最可靠的能源,所以把太阳能转化为便于利用的能源形式成为了科学研究的热点。氢能被认为是化石能源的替代物,在众多的产氢方法中,光催化分解水产氢被认为是最有前途的太阳能利用途径之一。1972年,Fujishima和Honda报道了在TiO2半导体上进行的水分解反应。从那时起,国内外引起了光催化的热潮。然而,以TiO2为代表的传统光催化剂禁带宽度大,可见光利用率低。所以,开发窄带隙光催化剂提高催化剂对可见光的响应是未来光催化工作的重点。在过去50年的研究中,已经发展了多种水解制氢的光催化体系。尽管有了很大的进展,但是仍然存在一些挑战性的问题,如量子效率低、稳定性差以及材料昂贵等。ZnCdS作为一种新型的光催化剂,是ZnS和CdS的化合物。ZnS和CdS的组合,解决了CdS光腐蚀问题的同时,也可以通过调节Zn和Cd的比例调节禁带宽度,成功解决了ZnS和CdS作为光催化剂发展的主要问题。但是,光生电子-空穴的复合,量子产率低等缺点...
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见半导体的能带结构图[7]
山东师范大学硕士学位论文6金属掺杂改变半导体带隙值的报道有很多，很多半导体可以通过此种方法调整带隙结构。包括掺杂TiO2[31]，掺杂SrTiO3[32]，掺杂La2Ti2O7[33]和掺杂ZnS[34]。图1-3描述了通过金属离子掺杂改变半导体带隙结构的机理：施主能级位于半导体价带的上方或者受主能级位于半导体导带的下方，从而减少了半导体的禁带宽度，增强其对可见光的响应。图1-3金属离子掺杂改变带隙的示意图[35]早在1982年，Borgarello等就发现，虽然纯TiO2不能对可见光响应，但是掺杂Cr5+之后，其在可见光照射下就可以分解水产氢[36]。近年来，除了Cr5+以外，V，Ni，Cr，Mo，Fe，Sn，Mn等金属也被掺杂在TiO2半导体中调整其带隙结构。Cao等人将Sn4+掺杂到TiO2中，和纯TiO2相比，无论在紫外光还是可见光照射下，掺杂Sn4+之后的TiO2光催化产氢活性都有了提高。这是因为Sn4+的掺杂能级比导带电位低0.4eV，可以充当受主能级，减小了禁带宽度，提高了催化剂对可见光的利用率[37]。Klosek和Raftery等人则证明了V4+掺杂的TiO2能够吸收可见光是因为V4+作为给电子体，V3d的电子被激发到TiO2的导带[38]。但是，在减小催化剂带隙值的同时，金属离子掺杂也带来一些负面影响，这些金属离子有可能会成为光生电子-空穴的复合中心，加速光生载流子的复合。Shen等人合成了一系列Cu掺杂的ZnIn2S4样品，如图1-4所示，和ZnIn2S4相比，其对可见光吸收范围更大，光催化活性也更高，随着Cu掺杂量的增加，催化剂活性也随之提高，当Cu的掺杂量增加至5wt%时，光催化活性达到最大值。当Cu掺杂量超过5wt%时，其光催化活性下降，这可能是由于过量的Cu成为了光生电子-空穴的复合位点[39]。所以，在掺杂方法中，对掺杂剂的浓度有比较
山东师范大学硕士学位论文7图1-4掺杂ZnIn2S4光催化剂的紫外可见漫反射光谱（A）和光催化剂活性图（B）[39]1.2.4.2非金属离子掺杂非金属离子掺杂是调整催化剂带隙结构的另一种有效方法，这种方法也被广泛应用。如图1-5所示，不同于金属离子掺杂，非金属离子掺杂并不会引起新的施主能级的形成，而是由价带顶升高引起禁带宽度的减校图1-5非金属离子掺杂催化剂的能带结构图[35]C，N，S等很多非金属离子都用于掺杂半导体材料来改善其带隙结构。和纯TiO2相比，非金属离子掺杂的TiO2对可见光响应能力增强，显示出更好的光催化性能。目前，有很多方法都成功将N掺杂到TiO2中，包括物理/化学气相沉积法，加热氢氧化钛和尿素，水热溶剂法和在氨气中处理TiO2粉末。Lin等通过两种微乳液技术，成功将N掺杂到TiO2中，和纯TiO2相比，其光催化产氢性能显著提高[40]。S掺杂TiO2的光催化活性
本文编号：3543851
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见半导体的能带结构图[7]
山东师范大学硕士学位论文6金属掺杂改变半导体带隙值的报道有很多，很多半导体可以通过此种方法调整带隙结构。包括掺杂TiO2[31]，掺杂SrTiO3[32]，掺杂La2Ti2O7[33]和掺杂ZnS[34]。图1-3描述了通过金属离子掺杂改变半导体带隙结构的机理：施主能级位于半导体价带的上方或者受主能级位于半导体导带的下方，从而减少了半导体的禁带宽度，增强其对可见光的响应。图1-3金属离子掺杂改变带隙的示意图[35]早在1982年，Borgarello等就发现，虽然纯TiO2不能对可见光响应，但是掺杂Cr5+之后，其在可见光照射下就可以分解水产氢[36]。近年来，除了Cr5+以外，V，Ni，Cr，Mo，Fe，Sn，Mn等金属也被掺杂在TiO2半导体中调整其带隙结构。Cao等人将Sn4+掺杂到TiO2中，和纯TiO2相比，无论在紫外光还是可见光照射下，掺杂Sn4+之后的TiO2光催化产氢活性都有了提高。这是因为Sn4+的掺杂能级比导带电位低0.4eV，可以充当受主能级，减小了禁带宽度，提高了催化剂对可见光的利用率[37]。Klosek和Raftery等人则证明了V4+掺杂的TiO2能够吸收可见光是因为V4+作为给电子体，V3d的电子被激发到TiO2的导带[38]。但是，在减小催化剂带隙值的同时，金属离子掺杂也带来一些负面影响，这些金属离子有可能会成为光生电子-空穴的复合中心，加速光生载流子的复合。Shen等人合成了一系列Cu掺杂的ZnIn2S4样品，如图1-4所示，和ZnIn2S4相比，其对可见光吸收范围更大，光催化活性也更高，随着Cu掺杂量的增加，催化剂活性也随之提高，当Cu的掺杂量增加至5wt%时，光催化活性达到最大值。当Cu掺杂量超过5wt%时，其光催化活性下降，这可能是由于过量的Cu成为了光生电子-空穴的复合位点[39]。所以，在掺杂方法中，对掺杂剂的浓度有比较
山东师范大学硕士学位论文7图1-4掺杂ZnIn2S4光催化剂的紫外可见漫反射光谱（A）和光催化剂活性图（B）[39]1.2.4.2非金属离子掺杂非金属离子掺杂是调整催化剂带隙结构的另一种有效方法，这种方法也被广泛应用。如图1-5所示，不同于金属离子掺杂，非金属离子掺杂并不会引起新的施主能级的形成，而是由价带顶升高引起禁带宽度的减校图1-5非金属离子掺杂催化剂的能带结构图[35]C，N，S等很多非金属离子都用于掺杂半导体材料来改善其带隙结构。和纯TiO2相比，非金属离子掺杂的TiO2对可见光响应能力增强，显示出更好的光催化性能。目前，有很多方法都成功将N掺杂到TiO2中，包括物理/化学气相沉积法，加热氢氧化钛和尿素，水热溶剂法和在氨气中处理TiO2粉末。Lin等通过两种微乳液技术，成功将N掺杂到TiO2中，和纯TiO2相比，其光催化产氢性能显著提高[40]。S掺杂TiO2的光催化活性
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