基于MoS2光催化剂的制备及其活性研究

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目前,能源危机和环境污染是人类面临的两个重大问题。光催化技术由于能够利用太阳能实现光分解水制备氢气和降解污染物,是解决能源短缺和环境污染的理想途径之一。该技术的关键是设计高效的光催化材料,但是光催化材料光生载流子易复合,导致光催化效率低。因此,提高光生载流子分离效率是开发新型高效光催化剂的研究重点。  二维材料MoS2由于其独特光学、电学、磁学等性质在众多领域应用,而在光催化领域的研究才刚刚兴起。研究表明,MoS2作为助催化剂与其他半导体复合能够有效提高光生载流子的分离效率。但是,MoS2与其他半导体的复合尚处于起步阶段。本论文设计合成了基于MoS2的两种光催化材料分C3N4/MoS2和TiO2/MoS2,以期提高纯g-C3N4和纯TiO2的光催化性能。内容主要有以下几部分:  (1)通过热缩聚合成法制备了g-C3N4,水热法合成了MoS2,并应用化学浸渍法合成了g-C3N4/MoS2复合材料。通过TEM、XRD、FIIR、XPS、UV-Vis DRS和PL等手段对复合材料进行表征。结果表明,合成的MoS2为六方相,g-C3N4具有典型的石墨层状结构和3-s-三嗪结构;MoS2和g-C3N4成功地复合并形成异质结,在可见光区域有响应,比纯g-C3N4的有更好的电子-空穴分离效率;MoS2负载能显著提高g-C3N4在可见光区的光催化产氢性能,负载1 wt% MoS2的复合材料的比产氢速率最高且为为纯g-C3N4的4.3倍;进一步在催化剂表面负载1wt%Pt,其中,1wt% Pt/(g-C3N4/1 wt%MoS2)在以25 vol%甲醇溶液作为空穴牺牲剂的比产氢速率可达75.9μmol·h-1·g-1;1 wt%Pt/(g-C3N4/1 wt%MoS2)材料能以多种有机物(甲醇,乙醇,乳酸)为空穴牺牲剂产氢,其中以25 vol%乳酸溶液作为空穴牺牲剂时,比产氢速率可达264.7μmol·h-1·g-1;通过催化剂循环利用实验证明1wt%Pt/(g-C3N4/1 wt%MoS2)具有较稳定的产氢性能。  此外,将g-C3N4/MoS2应用于可见光下光催化降解罗丹明B溶液。结果显示罗丹明B溶液的降解过程符合准一级反应动力学方程,g-C3N4/1wt%MoS2的降解速率常数为纯g-C3N4的1.8倍;添加活性基团捕获剂,实验表明光催化降解过程中起主要作用的物质为光生空穴。  (2)通过水热法合成了TiO2/MoS2复合材料,TEM、XRD、BET、XPS、UV-Vis DRS和PL表征结果表明,合成的MoS2是以六方相形式存在,TiO2是以锐钛矿相形式存在;MoS2成功地负载在了TiO2上,没有破坏TiO2的介孔结构,拓展了复合材料对光谱的响应范围,提高了的电子分离效率;以25 vol%甲醇溶液作为空穴牺牲剂的产氢实验结果表明,复合材料能显著提高光催化产氢性能,硫化钼的最佳负载量为5 wt%,比产氢速率为777.0μmol·h-1·g-1,其产氢活性是纯TiO2的4.9倍,商业P25的3.7倍;通过在复合催化剂表面负载0.5 wt%的Pd,比产氢速率可提高至2599.6μmol·h-1·g-1;复合催化剂可以不同有机物为电子供体产氢,如甲醇,乙醇和乳酸,三者产氢量的次序为:甲醇>乳酸>乙醇;5次循环产氢实验结果表明复合催化剂仍能保持较好的光催化产氢活性;另外,对复合催化剂光催化产氢机理也进行了探讨。
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