金属硫化物纳米晶的可控合成及其在能源转化中应用研究

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发展清洁能源对于解决化石能源的日益耗竭、减少温室气体排放,实现经济可持续发展具有重要意义。金属硫化物半导体纳米晶在清洁能源转化与存储方面具有广阔的应用前景。本论文主要围绕金属硫化物半导体纳米晶的控制合成与光催化产氢及电学性能开展研究,取得的主要研究成果如下:  1)以CdS纳米片为光敏剂,镍的配合物作为共催化剂,发展了一种可见光响应的高效且稳定的产氢催化体系。研究发现,在即时消除光生空穴的基础上,该体系中光生电子可以快速且高效的从CdS导带转移至镍配合物,有效抑制了光生电子-空穴的复合,提高了电荷分离效率。该体系在420nm波长单色光照射下表观量子产率高达88%;在可见光照射下其产氢TOF可达21600h-1,而且表现出超高的稳定性,在反应的483小时内,转换数超过10000000(基于镍的配合物)。  2)以CdS纳米片为光敏剂,多层结构的MoS2纳米晶为共催化剂,进行可见光催化产氢研究。发现光解水过程产生的氢气气泡能够将多层结构的MoS2纳米晶逐渐剥离形成少层结构,提出了一种获得少层MoS2纳米片的新机制——“气泡剥离”。这种少层MoS2能够与CdS纳米片在原位形成范德华异质结,该结构的形成可有效增强光生电荷的分离及转移,从而使光催化析氢反应活性大为提高。在可见光照射下其产氢速率为140mmol g-1h-1,在420nm单色波照射下,产氢表观量子产率可达66%。  3)以CdS纳米片为光敏剂,CoP-Ni2P作为共催化剂,进行可见光催化产氢研究。发现CoP与Ni2P复合使用表现出优良的光催化产氢性能,当CoP与Ni2P比例为1∶1时,活性最高,在可见光照射下光解水产氢反应速率高达217mmol g-1h-1,是一种可见光响应的高效且稳定的以非贵金属为共催化剂的产氢催化体系。  4)进行了Fe2+和Ni2+掺杂闪锌矿相ZnS的控制合成研究。发现掺入铁离子及镍离子能够在ZnS的价带上方形成受主能级。通过对Zn1-xFexS及Zn1-xNixS掺杂浓度的优化研究,发现当x=0.2时材料的光学及电学性能达到最优。Fe2+掺杂ZnS晶格荧光发射强度高于Ni2+掺杂。  5)合成了六方晶相的硫化铜纳米片,利用苯胺原位聚合制备了石墨烯/聚苯胺/硫化铜纳米片锂离子电池阳极材料。该材料展现出良好的充放电可逆性,循环250次后库仑效率仍然大于99%,容量为1255mAh g-1。
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