改性SrTiO3及Cd0.5Zn0.5S复合材料的制备及其光催化制氢性能的研究

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随着人口增长与化石燃料的逐渐消耗与枯竭,再加上环境问题,寻找可再生的环境友好的清洁能源势在必行。氢是自然界存在最普遍的元素,它主要以化合物的形态贮存于水中。据推算,如把海水中的氢全部提取出来,它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。而地球的3/4被海洋所覆盖,因此,氢能便是最佳的候选能源。SrTiO3由于其独特的电子和光学性质,光化学稳定性,较低的成本和较高的催化效率而成为十分有前景的光催化剂。但由于其较宽的禁带宽度(3.2eV),仅对紫外光区域有所响应,使其的光催化活性有所限制。因此,许多研究工作致力于窄化其禁带宽度,扩宽其光谱相应。例如金属与非金属掺杂,与其他半导体材料构成异质结复合材料,引入缺陷等方法。本文采用溶胶-凝胶法合成出具有纳米板状形貌的SrTiO3,使用直接利用H2氢化SrTiO3(简写为STO)及利用NaBH4固体还原SrTiO3(简写为STO-T)两种方法,成功制备出了具有表面氧空位的有颜色的SrTiO3。并将具有氧空位的SrTiO3通过水热法与Cd0.5Zn0.5S(简写为CZS)复合,形成了复合材料。并比较了用两种方法得到的复合材料的光催化制氢性能。其中,对于利用氢化及水热的方法得到的STO/CZS复合材料,还比较了原始的SrTiO3/CZS与STO/CZS纳米复合材料的异质结结构的形成以及它们的光电化学性能。HRTEM显示STO具有SrTiO3@SrTiO3-x的晶体核非晶壳的核-壳结构,且表面氧空位有助于良好异质结结构的形成。XPS显示S2-进入STO的(110)面的氧空位,并且在范德华力作用下与相邻的Ti相互作用形成Ti-O-S基团,这导致良好异质结的形成,并使得CZS纳米颗粒在STO纳米板上均匀地生长。由于氧空位的电子陷阱效应及良好的异质结结构的协同作用促进了其光生载流子的有效分离。对于NaBH4还原及水热得到的STO-T/CZS复合材料,亦探究了氧空位浓度对复合材料的光催化活性的影响。STO-325/CZS在可见光下显示出了最好的光催化活性。其光催化产氢速率可达25.008mmol·g-1·h-1,约为纯的CZS的光催化产氢速率的2倍。除此之外,通过一步水热法合成了CdxZnyNi1-x-yS固溶体复合材料,并探究了不同含量的Ni掺杂对其光催化制氢性能的影响。复合材料的光催化活性较纯的CZS相比,得到了显著地提高。其中0.5%CZNS的光催化活性可达25.339 mmol·g-1·h-1
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