单质硫对硫化镉光催化产氢活性的增强效应及其机理

来源 :淮北师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chijr
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近年来,半导体光催化技术成为解决环境污染问题和缓解能源危机的重要手段。在众多光催化剂中,CdS因其合适的带隙成为半导体光催化领域中最具应用前景的研究对象之一。但是,CdS存在光生电子-空穴对复合率高以及易发生光腐蚀的缺陷,这在很大程度上限制了它的实际应用。人们普遍认为,CdS发生光腐蚀导致生成在其表面的S覆盖了反应活性位点,影响了对可见光的吸收,从而抑制了CdS的光催化产氢活性。然而,C、P、S等元素半导体因其独特的性质在寻求廉价、高效光催化剂的过程中受到广泛关注。其中,研究表明S作为元素半导体具有微弱的光电催化分解水产氢活性。鉴于以上分析,本文从能带匹配的角度出发,选择储量丰富、成本低廉且性质稳定的单质S对CdS进行表面改性,设计出高活性和高稳定性的复合光催化剂,并通过系统的表征手段对光催化增强机制进行了研究。本论文的主要研究内容如下:(1)通过简单的溶剂挥发-沉积-沉淀法制备了一系列的S/CdS复合光催化剂,采用XRD、SEM、TEM、XPS、UV-vis DRS以及电化学测试等表征手段分析了制备样品的结构、形貌、元素组成、光学特征和电化学性质。在可见光下(λ>400nm),10%S/CdS样品表现出最佳的光催化产氢活性。其增强的光催化活性主要归因于CdS和α-S之间形成的异质结界面,加速了光生电子-空穴对的分离,从而有效抑制光生载流子的复合。本实验为探究α-S作为助催化剂在金属硫化物体系中的积极作用奠定了基础。(2)以CdS作为前驱体,逐步通过Au和S的负载过程合成了新型Z机制S/Au/CdS复合光催化剂。HRTEM分析结果表明,Au纳米颗粒介于CdS和S之间,形成了一种S-Au-CdS三组分结构。在可见光下(λ>420 nm),S/Au/CdS复合物在光催化分解水产氢中表现出比二组分体系Au/CdS、S/CdS以及单一组分CdS、S都要高的光催化活性。其中,S与CdS的比例为1.5%时,S/Au/CdS复合光催化剂表现出最佳的光催化产氢活性,产氢速率为4.37 mmol·g-1·h-1。通过捕获剂实验分析了光催化降解甲基橙(MO)过程中的主要活性物种,初步证实了CdS与S之间光生载流子的Z型传输机制,赋予了S/Au/CdS复合物优异的光催化产氢活性和稳定性。通过以上研究发现,从能带匹配的角度出发用S修饰CdS形成S/CdS异质结并以Au为电子传输介质构建Z机制S/Au/CdS光催化剂在很大程度上优化了CdS的光催化产氢活性。本论文实验结果为探究S对金属硫化物的正面效应提供了有益参考。
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