ZnS基光催化剂的制备及其可见光催化分解水制氢性能

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开发清洁可再生能源具有重大理论意义和战略意义。氢能具有清洁高效的优点,是最理想的绿色能源。光催化分解水制氢技术具有操作简单和环境友好的特点,被公认为未来替代能源中最有应用前景的技术。光催化分解水制氢的核心是高活性和长寿命光催化剂的研制。ZnS是一种直接带隙半导体材料,具有良好的化学稳定性和热稳定性,无毒环保,在光催化领域被广泛研究。为了提高ZnS对太阳光的利用率,降低光生载流子的复合率,增强光催化活性,本文制备了一系列ZnS基复合光催化剂。利用XRD、SEM、TEM、XPS、UV-Vis、PL、光电流和交流阻抗等手段对催化剂的晶型、形貌、组成和光学性质进行了分析,考察了其在可见光照射下的产氢活性,并探究了产氢作用机理。(1)通过机械研磨法首次制备了Cu3P/ZnS复合光催化剂,考察了其在可见光照射下的产氢性能,探讨了Cu3P与ZnS质量比对催化性能的影响。结果表明,当Cu3P与ZnS质量比为1%时,催性剂性能最优,产氢速率是纯ZnS的6倍。Cu3P和ZnS之间形成了p-n异质结,有效的提升了光生电子-空穴对的分离,显著提高光催化活性。(2)首次将ZnS与Cu7S4结合构建Cu7S4/ZnS复合催化剂。在光照下,助催化剂Cu7S4可以显著增强ZnS与Cu7S4界面电荷转移,降低光生电子-空穴对的复合率。实验结果表明,当Cu7S4与ZnS的质量比为1%时,产氢速率达到最大值,是纯ZnS的6倍。(3)通过阳离子交换法成功制备了Cu S/ZnS复合催化剂,考察了Cu S含量对复合催化剂产氢性能的影响。结果表明,当Cu S与ZnS的质量比为1%时,产氢速率达到最大值,是ZnS的14倍。可见光诱导从ZnS价带到Cu S的直接界面电荷转移,有效抑制光生载流子的复合,提高Cu S/ZnS的光催化活性。
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