CdS-Ni/MIL-101(Cr)和Pt-Ni/CdS的合成及其光催化产氢性能研究

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鉴于近年来日益严重而急需缓解的能源枯竭与环境污染的艰难处境,寻找一种可替代的新型绿色能源显得十分重要。光分解水生产的氢能由于其能源来源广、环境友好、绿色等优势,被公认是一种较好的替代性可再生能源。至今,大多数光催化材料主要是氧化物、硫化物、复合材料等。然而将太阳光能量更高效地吸收和利用仍旧是产氢领域一个未解决的难题。而金属-有机骨架材料(MOFs)由于其高比表面积、可控孔径及多样结构在催化领域获得了极大的关注。但其在光催化制氢领域应用十分有限,且产氢效率低。基于本课题组的研究,本论文将过渡金属Ni掺杂在MIL-101(Cr)载体上,合成了CdS-Ni/Cr-MIL-101材料;同时,又对CdS材料进行Pt、Ni的共掺杂,制备了Pt-Ni/CdS材料;两种材料应用于光催化产氢的相关研究还未见报道。Ni的掺杂,使两种材料相较于纯CdS材料、MOFs材料能更高效地吸收利用太阳光的能量,从而大幅提升其光催化制氢效率。本论文主要研究内容包括:(1)以水热法制备出Ni/MIL-101(Cr)后通过溶剂热法将CdS纳米粒子负载于其上,制备得到CdS-Ni/MIL-101(Cr)材料;通过溶剂热法制备得到Pt、Ni共掺杂的Pt-Ni/CdS材料。使用透射电镜、X射线衍射、扫描电镜、紫外可见漫反射、N2吸附-脱附对两系列材料进行了表征,并对材料的产氢活性进行了研究,同时对材料的掺杂量及负载量进行了对比筛选。(2)将制备所得的两系列材料应用于光催化制氢,对其产氢活性进行了研究。结合实验数据可得:掺杂Ni后两种材料的产氢活性均有明显提高,CdS-Ni/MIL-101(Cr)材料在模拟太阳光激发下,产氢速率最高可达0.41mmol/(g.h),是未掺杂Ni材料的10倍。Pt-Ni/CdS材料的产氢速率最高可达4.78 mmol/(g.h),是纯CdS的40倍,是Pt/CdS材料的近4.8倍。本论文成功制备了过渡金属Ni改性的两种材料。Ni的掺杂很好地改善了两种材料的孔结构,使材料的比表面积增大;且不易被光腐蚀,提高了两种材料的光催化产氢稳定性;而其中Pt-Ni/CdS材料的制备方法更为简单,且产氢活性更佳。由于Ni/MIL-101(Cr)本身无产氢活性,负载了CdS后,使材料具有了产氢活性;结合Pt-Ni/CdS的产氢实验结果,说明掺杂的Ni是与CdS发挥了良好的协同作用,使材料对光的吸收能力增强,进而提高了CdS-Ni/MIL-101(Cr)和Pt-Ni/CdS两系列材料的产氢活性。
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