ZnIn2S4半导体材料的改性及其光催化产氢性能研究

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能源与环境问题的日益突出使得光催化产氢技术备受关注。ZnIn2S4作为一种能带结构优异且在可见光响应的层状光催化材料,具有较高的研究价值和应用前景。但是ZnIn2S4仍然具有光催化剂普遍存在的光生载流子复合效率高的问题,大大限制了其光催化产氢性能。本论文针对ZnIn2S4光生载流子复合效率高的问题,分别采用构筑复合异质结、材料低维化、元素掺杂、负载助催化剂等策略对ZnIn2S4进行了改性,并对材料的结构及光催化产氢性能进行了表征和分析。具体可分为以下三部分工作:(1)构筑复合材料异质结是促进光生载流子分离的有效方法之一。本论文采用非常简易的一步溶剂热法成功制备出充分、均匀复合的TiO2/ZnIn2S4材料,并对材料进行XRD、SEM、EDS、XPS、莫特-肖特基测试、紫外-可见吸收光谱等物性表征,确定材料的复合状态和能带匹配情况。由于TiO2/ZnIn2S4复合材料之间的异质结存在,其光生载流子的分离效率高于纯ZnIn2S4,使得TiO2/ZnIn2S4复合材料的产氢速率为ZnIn2S4的1.3倍。(2)低维材料较大的比表面积和较大的载流子传输路径有利于光催化剂对光的捕获和光生载流子的传输。本论文采用表面活性剂CTAB对ZnIn2S4进行低维化,制备ZnIn2S4纳米片,并探究了CTAB的最佳用量。同时,元素掺杂可以为光催化剂提供载流子的捕获位点而进一步促进材料光生电子和空穴的相互分离。本文在最佳的CTAB用量下,本论文接着对ZnIn2S4进行了Mn元素的掺杂,通过XPS、莫特肖特基测试等对材料的结构进行了表征,并探究了最佳掺杂量。在最佳掺杂量下,材料的产氢速率为原始ZnIn2S4的2.9倍。(3)负载助催化剂可有效捕获光催化剂的光生电子,从而促进载流子分离。Ni是一种廉价的金属助催化剂,其对光催化的产氢的促进效果明显。本论文采用光还原的方法在ZnIn2S4表面负载金属镍的纳米颗粒作为助催化剂,对其进行了XRD、SEM、XPS等物性表征,并探究了Ni的负载量对材料光催化性能的影响。结果表明,在Ni的最佳负载量下Ni/ZnIn2S4产氢速率(22.2 mmol·h-1g-1)约为纯ZnIn2S4(2.1 mmol·h-1g-1)的10.6倍。本实验中Ni/ZnIn2S4的光催化产氢速率比已报道的其他助催化剂/ZnIn2S4的产氢速率都要高。
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