硫化鎘基光催化材料的制備與可見(jiàn)光光催化性能.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)今人類(lèi)面臨和亟待解決的兩大世界性難題。由于化石燃料資源的逐漸枯竭和因化石燃料的過(guò)度使用而引起日益嚴(yán)峻的能源緊缺和環(huán)境惡化，開(kāi)發(fā)新型無(wú)污染可再生的替代能源勢(shì)在必行。太陽(yáng)能被認(rèn)為是理想的可再生清潔能源，地球上分布著極其豐富的太陽(yáng)能資源，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成可用的能源是人們迫切希望的。1972年，F(xiàn)ujishima和Honda首次報(bào)道了在二氧化鈦電極上光催化分解水產(chǎn)氫。之后，Inoue等人報(bào)道使用半導(dǎo)體粉末在水溶液中光催化還原

2、二氧化碳成碳?xì)淙剂?。利用半?dǎo)體光催化技術(shù)將分布不均勻、低密度的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、高密度的化學(xué)能已經(jīng)受到普遍關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的TiO2光催化劑，因其光響應(yīng)范圍較窄和量子效率偏低，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)高效的可見(jiàn)光響應(yīng)的光催化劑是目前的研究熱點(diǎn)。硫化鎘具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是優(yōu)良的可見(jiàn)光光催化劑。本論文主要研究CdS基納米復(fù)合材料的制備和可見(jiàn)光光催化性能。
　　第一，以氧化鎘、半胱氨酸和硫粉為原料，乙二胺為溶劑，采用溶劑

3、熱法成功合成出CdS單晶納米線。通過(guò)不同的Pt還原方法制備Pt/CdS納米線復(fù)合材料。所得樣品利用X射線衍射、透射電鏡、紫外-可見(jiàn)漫反射光譜，氮?dú)馕?、脈沖氫氣化學(xué)吸附和X射線光電子能譜進(jìn)行表征。新制Pt/CdS納米線復(fù)合材料的光催化性能通過(guò)其在可見(jiàn)光（λ≥420 nm）光照下，乳酸水溶液中，樣品的產(chǎn)氫活性來(lái)評(píng)估。結(jié)果顯示，通過(guò) NaBH4還原方法制備出的樣品比光還原沉積法制備出的樣品具有更高的光催化產(chǎn)氫活性。前者在少量的Pt（0.3

4、wt％）作為助催化劑下，產(chǎn)氫速率達(dá)到1.49 mmol h-1，相應(yīng)的表觀量子效率（QE）為61.7％。樣品具有不同的光催化活性是因?yàn)檫€原方法影響 Pt納米顆粒的尺寸和分散度，進(jìn)而影響光催化產(chǎn)氫活性。NaBH4還原方法制備出的樣品具有較小的Pt納米顆粒（約為1-2 nm）和較高的分散度（72％），從而導(dǎo)致較高的產(chǎn)氫活性。另外，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)顯示，球磨納米線之后，其結(jié)構(gòu)被破壞，CdS光催化產(chǎn)氫活性減少量超過(guò)30％，這表明一維納米線結(jié)構(gòu)能顯著

5、增強(qiáng)CdS的光催化產(chǎn)氫活性。
　　第二，以醋酸鎘、半胱氨酸和氧化石墨烯（GO）為原料，乙醇胺水溶液（1:1）為溶劑，采用一步微波水熱法成功地制備出還原氧化石墨烯（RGO）-CdS納米棒復(fù)合材料。這些復(fù)合材料樣品在沒(méi)有貴金屬Pt作為助催化劑的情況下，顯示出高效的光催化還原CO2性能。在RGO含量為0.5 wt％時(shí)，RGO-CdS納米棒復(fù)合材料光催化劑顯示出最優(yōu)活性，CH4產(chǎn)生速率為2.51μmol h-1 g-1。在相同的反應(yīng)條件下

6、，這個(gè)速率超過(guò)純CdS納米棒樣品的10倍，也高于最優(yōu)的Pt-CdS納米棒復(fù)合材料光催化劑。高效的光催化活性歸因于CdS納米棒沉積在RGO層上，其中RGO充當(dāng)著電子接收器和傳輸介質(zhì)的作用，因此可以有效地分離光生電荷載流子。此外，RGO的引入可以增強(qiáng)對(duì)CO2分子的吸附和活化，加速CO2轉(zhuǎn)化為CH4的光催化反應(yīng)。提出的RGO-CdS納米棒復(fù)合材料的光催化反應(yīng)機(jī)理通過(guò)瞬時(shí)光電流響應(yīng)和電化學(xué)阻抗譜進(jìn)一步確認(rèn)。這項(xiàng)研究不僅展示了一種簡(jiǎn)單的微波水熱法

7、制備高活性的RGO-CdS納米棒復(fù)合光催化材料，而且也揭示了利用廉價(jià)的碳材料替代貴金屬在光催化還原CO2中的可能性。
　　第三，通過(guò)模擬綠色植物的自然光合作用，設(shè)計(jì)制備出一種沒(méi)有電子中間體的直接Z型CdS-WO3光催化劑。這些Z型異質(zhì)結(jié)樣品顯示了更高的可見(jiàn)光光催化還原CO2活性。在CdS含量為5mol％時(shí)，CdS-WO3空心球樣品顯示出最優(yōu)活性，CH4產(chǎn)生速率為1.02μmolh-1g-1，是純CdS的10倍多。光催化活性的增強(qiáng)可