低毒性量子点及其复合物用于光催化分解H2S制氢的研究

来源 :西南石油大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:CaT614
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硫化氢(H2S)作为一种在油气藏中广泛存在的高毒性、易腐蚀的气体,增大了油气田的开采难度和成本。而光催化制氢技术作为一种低能耗、无二次污染的清洁方式能够以H2S为原料,捕获储存在H2S中的氢(H2)而受到越来越多的关注。近几年一直提倡设计低成本、易获取及优异吸光性能的高效光催化剂,然而目前用于光催化分解H2S制氢的光催化剂多数以金属硫化物为主,其他材料如量子点的研究报道却较为少见。传统镉(Cd)基量子点已被广泛用于光催化应用中并认为是一种优良的光催化剂,然而考虑到重金属Cd所具有的毒性对人体和环境的危害性较大。因此,开发低毒性量子点用于光催化分解H2S制氢具有广阔前景。其中,磷化铟量子点(InP QDs)具有较大的消光系数致使可见光响应能力强以及In、P元素在地球上丰度大而更容易获取等优点被发现可用于有效光催化水制氢体系;除此之外,另一种低毒性量子点——纳米碳点(CDs)具有成本低廉、制备简单及可见光响应能力等优点,常被广泛认为是提高催化剂活性的有效添加剂。因此,本论文对低毒性量子点(InP QDs、CDs)进行修饰改性或形成复合物用于光催化分解H2S制氢的研究,主要结论如下:(1)本文通过简便有效的方法添加金属离子修饰无机S2-配体桥连的InP QDs(SIP)实现光催化分解H2S制氢,发现利用常见的几种二价金属阳离子修饰SIP体系中,Zn2+修饰SIP(ZSIP)具有最佳的析氢效率。Zn2+可以有效地消除SIP上的表面缺陷态,这对抑制电荷载流子的复合起着至关重要的作用。此外,Zn2+对SIP的表面修饰改善了表面的负电性从而促进HS-的吸附。ZSIP的光催化产氢速率(11.7 mmol g-1 h-1)是未经金属离子修饰的InP QDs(SIP)的2.9倍。(2)为了探寻本身不具有催化活性的低毒性碳点在光催化分解H2S制氢的潜力,本文通过简单水热法制备N掺杂碳点(NCDs)和石墨相氮化碳纳米片(CN)构建NCDs/CN光催化剂。并发现相比于不掺杂杂原子的碳点复合物(CDs/CN),NCDs/CN具有更加优异的可见光吸收能力和电荷分离能力,表明杂原子掺杂低毒性碳点能够明显改善其复合物的催化活性。(3)我们在NCDs的基础上引入了杂原子S合成了硫氮共掺杂的碳点(S-NCDs),发现S-NCDs/CN能够进一步提升NCDs/CN在光催化分解H2S制氢的性能。我们发现在460 nm照射下,S-NCDs可以将CN的活性提高38倍,而在395 nm照射下仅提高不到2倍。利用一系列表征手段和理论计算等进一步揭示了 S-NCDs受光照波长依赖的敏化作用导致S-NCDs/CN的光催化分解H2S制氢活性的增强。
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