金属硫化物基光催化材料的构建及其光催化性能

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近年来,能源短缺和环境污染已成为世界关注的焦点。作为解决这些问题最有前途的方案之一,半导体光催化技术引起了许多研究学者的关注。这一领域中,高效光催化剂的开发显然广受青睐,但仍然具有挑战性。在众多光催化剂中,金属硫化物因其合适的带隙结构,成为热点光催化材料。但是,硫化物的光腐蚀,容易团聚以及光生载流子分离效率低等缺点,限制了其光催化活性。为了改善上述缺点,本研究通过形貌调控、构建异质结、晶面控制、贵金属沉积和缺陷构造等方法制备TiO2-Zn S@Zn O三元异质结、Pt-TiO2/ZB Cd S-CH3COO-纳米管、富含空位缺陷的双金属硫化物Cd0.7Zn0.3S,并表征了其光催化性能。主要研究内容如下:(1)通过溶剂热、一步高温煅烧法,本文合成了一种高效的三元TiO2-Zn S@Zn O异质结空心管。与单一半导体相比,复合催化剂的光谱响应范围可以被拓宽到可见光,管状形貌和异质结都可以抑制光生载流子的复合。光电化学表征证明,复合材料不仅具有较强的可见光吸收能力,而且光生载流子可以高效的分离和传输。通过降解实验,表征了样品的光催化性能。结果表明,最优复合材料TZ2在可见光(λ≥420 nm)下光催化降解盐酸四环素(TC)的效率达到86.67%,它对四环素的降解率是纯二氧化钛粉末的5倍。另外,制备的催化剂TZ2对染料废水的降解有良好的普适性,在可见光驱动下可以降解二甲酚橙(XO)、酸性红18、罗丹明B(Rh B)和亚甲基蓝(MB)。(2)通过溶剂热、高温煅烧法、油浴沉积等方法,本文设计并合成了Pt-TiO2/(ZB)Cd S-CH3COO-纳米管(HPTCA3)。制备的催化剂具有强的可见光吸收能力以及高效的光生载流子分离能力。最佳催化剂HPTCA3的H2产生速率为15025.38μmol-g-1-h-1,约为纯Cd S粉末的111.3倍。XRD衍射峰面积计算表明,醋酸盐的存在控制了Cd S各个晶面的生长速度,促进了ZB Cd S(111)晶面的生长。因此,光生电子容易在硫化镉(111)晶面上积累,有利于电子在Cd S和TiO2界面上的传递。DFT计算表明,Cd S与TiO2之间的界面电场,加速光生载流子的分离和转移。助催化剂Pt的加入,使得复合催化剂HPTCA3具有有效的电子转移机制,有利于光生电子和空穴的空间分离。(3)通过简单的溶剂热法,本文制备了一种具有阴离子缺陷空位(VS)的高活性、稳定的Cd0.7Zn0.3S纳米光催化剂。光电化学表征表明,催化剂具有强的可见光吸收能力和高效的电子和空穴分离和传输能力。并且,最优异催化剂Cd0.7Zn0.3S-25的H2产生速率为14613.7μmol-g-1-h-1。在溶剂热过程中,以二亚乙烯三胺(DETA)为表面活性剂诱导Zn Cd S形成一维纳米棒结构。特别是DETA的胺类分子在水中会发生质子化,抑制Cd0.7Zn0.3S的生长,有利于电子和空穴的分离和传输。EPR表明,以硫脲为硫源,通过改变硫源的含量,成功地在Zn Cd S表面构造了硫空位,有利于提高其光催化活性。本研究通过一些新颖的方法对金属硫化物进行改性,改善了金属硫化物的光吸收能力,降低了光生载流子复合效率高的问题,提高了催化剂的活性和稳定性。因此,本文为制备简单、价廉、稳定、活性高的光催化剂提供了新的设计思路,具有一定的理论指导意义和实际应用价值。
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