论文部分内容阅读
化石燃料的大量使用造成了能源危机和环境污染两大全球性问题,也是目前国内外迫切需要解决的两大问题。氢能源是一种清洁,无碳排放,高燃烧值的新能源,这种新能源的普及将对缓解以上两大全球性问题有很大的帮助。光催化分解水制氢技术是一种使用半导体光催化剂,将太阳能转化为化学能,催化分解水生成氢气的技术。该技术将地球上最丰富的可再生能源转化为化学能储存于氢气中,是一种具有潜力的制氢技术。但由于单一的半导体催化剂受光激发产生的光生电子和空穴容易发生复合,导致单一半导体催化剂光催化活性低。本文旨在提高半导体催化剂光生电子和空穴的分离效率,以期提高催化剂的光催化产氢活性。文章第一部分通过一步水热法制备了一系列不同MoS2负载量的MoS2/CdS复合催化剂,在MoS2负载量为2.0 wt%时得到最高平均产氢速率(406 μmol h-1)。该产氢速率是单纯CdS催化剂产氢速率的18倍。实验通过X射线衍射,拉曼光谱,高分辨率透射电子显微镜,X射线光电能谱,紫外可见漫反射光谱等表征技术对催化剂进行了表征,结果显示,通过水热法制备MoS2/CdS复合催化剂可以有效地促进MoS2和CdS之间异质结的形成,机械混合法不能使MoS2和CdS之间形成有效的异质结。X射线光电能谱表征发现MoS2和CdS两相间形成了 Mo-S-Cd键并发生了结合能的变化,说明了异质结上有电子转移。因此,异质结的形成可以促进光生电子从CdS催化剂向MoS2转移,抑制光生电子和空穴的复合,提高催化剂的光催化活性。文章第二部分以乙酸镉为镉源,在二甲基亚砜溶液中将CdS负载于有机微球支撑的三维石墨烯结构上,制成PSGM/rGO/CdS复合催化剂。实验研究了氧化石墨烯包覆量,乙酸镉添加量和反应温度的影响,并确定在氧化石墨烯包覆量为5 wt%,乙酸镉添加量为150mg(每100mgPSGM/GO微球),溶剂热反应温度为180℃时,复合催化剂的产氢速率较高。实验在反应时间为3 h,6 h,12 h和24 h时制备得一系列复合催化剂。通过扫描电子显微镜,X射线衍射,电感耦合等离子光谱,光致发光光谱,高分辨率透射电子显微镜,X射线光电能谱,BET,紫外可见漫反射等技术对复合催化剂进行了表征,结果显示复合催化剂表面的CdS催化剂先随着反应时间的延长逐渐长大,后因反应时间的延长而减小。CdS催化剂的结晶度和产率也产生相同的现象。紫外可见漫反射和光致发光光谱表征技术显示,CdS催化剂的禁带宽度随着反应时间的延长减小,导致该结果的原因是量子尺寸效应。量子尺寸效应还影响了催化剂的产氢活性,复合催化剂的平均产氢速率随着反应时间的延长逐渐减小。反应时间短制备的复合催化剂粒径较小,禁带宽度大,但具有更高的导带电位和更低价带电位,具有更高的热力学动力,光生载流子更容易迁移到催化剂表面,因此具有更高的催化活性。反应时间为3 h制得的复合催化剂平均产氢速率最高,催化剂的平均产氢速率为175 μmolh-1。高分辨透射电镜表征技术观察到CdS催化剂与石墨烯之间的异质结。异质结促进了光生电子从CdS催化剂向石墨烯的转移,光电子迁移到石墨烯后可以发生光催化产氢反应,有效提高光生电子和空穴的分离效率。文章第三部分以乙酸镉和乙酸锌为镉源和锌源,在二甲基亚砜溶液中将催化剂负载于有机微球支撑的三维石墨烯结构上,制得PSGM/rGO/(ZnO/CdS)复合催化剂。在60 ml二甲基亚砜溶液中添加乙酸镉和乙酸锌共5 mmol,改变乙酸镉添加比例,制备了一系列不同组成的复合催化剂,并检测了催化剂的产氢活性。实验通过X射线衍射,扫描电子显微镜,X射线光电能谱,紫外可见漫反射,BET等技术对催化剂进行表征。当只添加乙酸锌时,产物中生成ZnO和少量的ZnS;随着乙酸镉的添加,产物中只生成ZnO和CdS;当只添加乙酸镉时,产物中只生成CdS。当乙酸镉添加比例为60%时,复合催化剂的平均产氢速率最高,催化剂的平均产氢速率达到809 μmolh-1,催化剂中CdS的含量为26.0 wt%。实验结果说明,不同的乙酸镉添加比例改变了催化剂的组成,当物相间形成异质结时,可以有效促进光生电子和空穴的分离,提高催化剂的产氢活性,且材料的组成比例不同催化剂最终的产氢活性也不同。实验测试了单纯ZnO/CdS复合催化剂(乙酸镉添加比例为60%)的产氢活性,测得其平均产氢速率为451 μmol h-1。三维石墨烯结构有效提高了 ZnO/CdS复合催化剂的活性。该实验结果说明,三维石墨烯结构和ZnO的协同作用能有效促进光生电子和空穴的分离,提高CdS催化剂的产氢活性。