有序介孔ZnS基复合催化剂的可控合成及其光催化性能研究

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低成本、易制备、高活性、高稳定性的光催化剂研制是促进半导体光催化技术发展的关键。过渡金属硫化物因具有独特的电子结构长期以来备受青睐,被广泛应用于光催化领域。ZnS作为一种重要的n型半导体材料,具有无毒、易制备、高度稳定及表面易修饰和独特的光学性质,在太阳能转化方面具有广泛的应用前景。基于以上优势,本论文以高比表面积和多活性位点的有序介孔ZnS作为主体材料,通过原位修饰负载的方法设计构建不同组成、不同结构的复合光催化剂,综合运用其组成及结构调控拓宽光频谱响应范围,促进材料光生电子的迁移与分离,提升光催化活性。具体工作归纳如下:1.以KIT-6(SiO2)为硬模板,ZnSO4.7H2O为前驱体反向复制得到有序介孔ZnS。通过低温溶剂热法(80℃)将二维金属有机框架材料(2D MOF,Cu-TCPP)锚定于有序介孔ZnS骨架上。具有多光频谱响应的2D MOF与有序介孔ZnS之间形成较强的电子耦合作用,成功拓宽了 ZnS光频谱响应范围。在光照条件下,复合材料中2DMOF的电子首先被激发并在热力学驱动下快速向ZnS转移。有序介孔ZnS作为(活性)载体能够充分利用其电子渗透性骨架和大比表面积优势为光催化反应提供丰富的活性位点,提高传质效率,改善光生载流子的传输和分离,表现出优异的光催化水分解析氢活性。时间分辨瞬态荧光测试结果表明,相对于单体ZnS,复合光催化剂能够有效延长光生电子寿命;在模拟标准太阳光下,复合催化剂ZMOF-0.07表现出最佳的光解水析速率比单体ZnS提升了 5.9倍;连续光照30h,复合催化剂依旧具有良好的光催化分解水析氢活性和稳定性。2.在有序介孔ZnS基础上,通过一锅水热法原位合成CdIn2S4/ZnS纳米复合催化剂。在CdIn2S4/ZnS 体系中,八面体 CdIn2S4 的能带结构(EVB/Eg,-0.58/2.3 eV)与有序介孔 ZnS(EVB/Eg,-0.54/3.4 eV)能带相互匹配,形成有利于光生电子-空穴迁移与分离的Ⅱ型异质结。在可见光下,CdIn2S4被激发产生光生电子-空穴对,光生电子在热力学驱动下快速向有序介孔ZnS转移,光催化还原反应主要在有序介孔ZnS表面完成。基于有序介孔ZnS设计构建的CdIn2S4/ZnS纳米复合催化剂促进了光生载流子在催化剂表面的分离与迁移,提高了传质效率从而提升了光催化氧化还原速率。复合光催化剂CdIn2S4/ZnS不仅具有良好的光催化分解水析氢活性还表现出优异的光催化降解罗丹明B活性。系统研究了复合光催化剂CdIn2S4/ZnS组成对光催化性能的影响,CdIn2S4与ZnS在最佳质量配比条件下,相对于单体CdIn2S4,复合光催化剂光降解罗丹明B速率常数提升了 89倍。此外,光照20h后,CdIn2S4/ZnS复合光催化剂依旧保持良好的光催化分解水析氢活性和稳定性。
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