Ⅱ-Ⅵ族硫化物纳米复合材料的制备及其光催化性能研究

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环境污染和能源短缺是21世纪人类面临的两大难题,光催化技术因其反应速度快、条件温、效率高和直接利用取之不尽的太阳能来源驱动反应等独特性质,而成为解决这两大难题的一种新型的绿色技术。Ⅱ-Ⅵ族硫化物中的CdS、 ZnS作为典型的半导体材料,成为研究重点,CdS为窄带隙半导体(2.42eV),能响应可见光,但其自身光生电子-空穴对分离效率低,并且存在光腐蚀现象,限制了其光催化活性;ZnS较宽的带隙(3.7eV),仅能被紫外光激发,限制了其可见光的响应,从而限制了其对太阳能的利用率。因此,以CdS和ZnS为基础开发具有高效率、高稳定性的可见光催化剂成为本论文的研究目标。本文利用还原氧化石墨烯复合硫化镉(RGO/CdS)、还原氧化石墨烯复合硫化锌(RGO/ZnS)和ZnxCd1-xS三元固溶体等体系来提高该体系材料的可见光催化性能。1)采用微波法一步反应制备了还原氧化石墨烯复合硫化镉(RGO/CdS)纳米材料,利用XRD、 SEM、 TEM、 EDS、 DRS、 Raman、 XPS、 FTIR等手段对样品进行了结构、成分、形貌表征和光电流测试。研究结果证明反应得到了还原氧化石墨烯(RGO)片层与CdS纳米颗粒的复合材料,CdS纳米颗粒均匀分布在RGO表面。以RGO/CdS为光催化剂,利用可见光降解罗丹明B测试结果表明RGO/CdS纳米复合材料的光催化效率明显高于纯CdS,其中当RGO复合量为10%时光催化效率最高,在80min内将Rh B几乎完全降解,循环试验证明样品具有良好的稳定性。实验表明RGO的加入使得CdS纳米颗粒的尺寸变小,拓宽了材料的光响应范围、增大了吸收强度、抑制了光生电子-空穴对的复合,从而提高了样品的光催化活性和稳定性。2)采用微波法一步反应制备了还原氧化石墨烯复合硫化锌(RGO/ZnS)纳米材料,利用XRD、 SEM、 TEM、 EDS、 DRS、 FTIR、 Raman、电化学等手段对样品进行了结构、成分、形貌表征和光电流测试。结果证明复合材料中ZnS纳米颗粒为六方纤锌矿结构,反应过程中GO被还原,直径在50nm左右的ZnS纳米球均匀分布在RGO片层表面。RGO/ZnS复合材料光电流的显著增强说明RGO片层与ZnS颗粒之间存在光生电子的有效传递。以RGO/ZnS为光催化剂,紫外光下降解Rh B。实验证明RGO/ZnS具有较高的光催化效率,其中当复合物中RGO含量为8%时样品具有最高的光催化效率,循环实验证明材料具有较好的稳定性,探讨了RGO/ZnS光催化机理。3)在室温离子液体1-丁基-3-甲基咪唑硫氰酸盐中,以硫氰酸锌为锌源,硫钒酸锌为锌源,采用微波法成功制备了ZnxCd1-xS固溶体纳米材料,改变反应物中Zn/Cd比来制备不同组分的固溶体。利用XRD、 SEM、 TEM、 EDS、 DRS等手段对样品进行行了结构、成分、形貌表征和光电流测试,结果表明得到的系列复合材料均为六方纤锌矿结构,并且ZnxCd1-xS样品德吸收带边均位于可见光区。尽管具有类似的尺寸和结构,不同组分的ZnxCd1-xS固溶体光催化剂在可见光下对甲基橙(MO)溶液表现出不同的催化效率,其中Zn0.36Cd0.64S具有最高的光催化效率,可见光下照射4h后降解率达到85%,明显优于纯的CdS和ZnS,研究发现在光催化过程中穴主要起着氧化剂的作用。
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