多孔硫化物-TiO2纳米复合材料的制备及光催化性能研究

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目前,光催化技术利用半导体材料作为催化剂,广泛应用于光分解水制氢、污水处理、太阳能电池、抗菌杀毒等领域。具体过程如下:在光照下催化剂激发出电子-空穴对,光生电荷转移至催化剂表面后与目标物质发生一系列氧化还原反应。众所周知,TiO2光催化剂具有大量易得、廉价、无毒、超亲水性、高稳定性以及高催化活性等优点,吸引了科研工作者的广泛关注。然而,TiO2光催化剂带隙宽和光生电荷复合率高等缺点,导致较低的量子效率和光催化活性,从而限制了其实际应用和发展。因此,我们通过复合窄带隙半导体对 TiO2进行修饰,制备了多孔硫化物-TiO2纳米复合材料,以期实现拓宽光谱响应范围、提高载流子寿命从而增强光催化活性的目标。主要研究内容如下:  (1)以自制的聚苯乙烯(PS)为模板,采用溶胶-凝胶法和水热法合成了三角锥状的CdS掺杂多孔TiO2纳米复合材料,研究了不同的CdS掺杂量对其光催化产氢性能的影响。实验结果表明,原位生长的 CdS纳米颗粒掺杂后不仅拓宽了吸光范围、增大了比表面积,并能促进电子-空穴对的分离,从而获得了较好的光催化活性。本实验中,5% CdS-TiO2复合材料光催化性能最好,在UV-vis照射下产氢速率约为1048μmol·h-1·g-1,且稳定性良好。  (2)在上述实验基础上,采用类似方法合成了三角锥状 CdS和纳米片状MoS2共掺杂多孔TiO2纳米复合材料,研究了不同的MoS2掺杂比例对样品光催化产氢活性的影响。实验结果表明,纳米片状MoS2与CdS、TiO2基底形成紧密的接触,能够进一步拓展光的响应范围、抑制光生电荷的复合,并且由于其量子尺寸效应可以有效析氢,从而展现出优异的光催化性能。其中,3% MoS2掺杂的三元复合材料在可见光下的产氢速率可高达4146μmol·h-1·g-1,且在16 h反应中稳定性保持在83%左右。  (3)以 PS为模板,采用溶胶-凝胶法和水热法,合成了不同形貌的 Bi2S3掺杂多孔TiO2纳米复合材料,研究了不同的Bi2S3掺杂比例以及不同形貌对样品光催化降解罗丹明B的影响。Bi2S3的引入能够延伸光谱响应范围、增加表面活性位点,同时提高光生载流子的分离和传输速率,因此提高了光催化性能。整体来看,纳米片状的 Bi2S3-TiO2复合光催化剂比纳米棒状的活性更高,其中,3%纳米片状的Bi2S3-TiO2光催化降解效果最佳,降解率可达96.5%。
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