ZnIn2S4光催化剂及其复合材料的制备与光催化性能研究

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在众多优异的光催化剂中,金属硫化物基半导体因其良好的化学稳定性、简易的合成过程和较窄的能带隙而受到广泛关注。ZnIn2S4作为一种层状结构的三元金属硫族化合物,是一颗材料新星,在过去的几十年里取得了令人瞩目的突破。科学研究者一直在努力开发有效的可见光驱动光催化剂。目前,ZnIn2S4材料已作为光催化剂用于光催化析氢、CO2转化、环境净化、光催化固氮、有机合成等各个领域。然而,由于光生电子-空穴的快速复合以及载流子转移效率的限制,ZnIn2S4的光催化性能并不是很理想。研究表明,将ZnIn2S4与其他半导体相结合是提高光催化活性最常用和最有效的方法之一。因此本课题选择将ZnIn2S4材料作为研究对象,制备了一系列ZnIn2S4的光催化材料并研究了其催化性能,具体研究内容如下:(1)在不同的溶剂环境中,通过简单的溶剂热/水热法制备出形貌可调控的ZnIn2S4。由于半导体的形状、尺寸和结构是决定其光学和光催化性能的关键因素,因此探索不同溶剂对于ZnIn2S4的形状和光催化性能的影响是必要和重要的。本文采用溶剂热/水热法,在不同溶剂介质条件下合成了六方ZnIn2S4,研究了溶剂对ZnIn2S4的形貌和光催化活性的影响。(2)将ZnIn2S4与Cd S进行复合。通过在三维伞状Cd S表面生长超薄ZnIn2S4纳米片构建了分层核-壳结构的ZnIn2S4@Cd S异质结光催化剂,用于可见光下光催化降解甲基橙(MO)。通过各种手段对ZnIn2S4@Cd S复合光催化剂进行了综合表征,并对其光电化学性能和光催化活性进行了研究。这种分层核-壳结构有利于光生电子-空穴对的分离和转移,同时还具有较大的比表面积,暴露了丰富的活性位点,抑制了Cd S的光腐蚀。结果表明,在可见光照射下,合成的ZnIn2S4@Cd S异质结光催化剂的光催化活性高于纯ZnIn2S4和Cd S。此外,ZnIn2S4@Cd S复合材料体积较大,易于回收,循环稳定性测试表明它具有较高的稳定性。(3)将ZnIn2S4花状微球与TiO2纳米带进行了复合,首先采用溶剂热法制备了1D TiO2纳米带。然后通过简单的一步水热法合成了TiO2纳米带修饰的TiO2/ZnIn2S4复合光催化剂。TiO2与ZnIn2S4的复合增强了TiO2的可见光吸收,促进了光生电子空穴对的有效分离,使得所制备的TiO2/ZnIn2S4复合材料具有较强的光催化活性。
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