發(fā)布時間：2020-07-06 21:38

【摘要】：隨著科技的不斷發(fā)展,人類對能源的需求量越來越大,一些傳統(tǒng)不可再生能源(如煤炭、石油、天然氣)越來越少,同時,也造成了一些諸如霧霾、溫室氣體排放等嚴重的環(huán)境污染問題,因此,開發(fā)一種低碳、綠色、環(huán)保的新型能源至關(guān)重要。在諸多可再生能源中,太陽能是儲量豐富、利用成本較低的一種能源,而將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能則是利用太陽能的一條重要途徑,實現(xiàn)太陽能到氫能的高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是半導體光催化劑的設(shè)計及制備。CdS是一種典型的半導體材料,具有合適的導帶和價帶位置,帶隙為2.48 eV,符合光解水產(chǎn)氫的條件,是一種良好的可見光響應(yīng)的半導體光催化材料,但是同時,CdS也存在許多方面不足,由于產(chǎn)氫性能較差,限制了在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用,針對這個問題,可以將兩種不同導帶和價帶位置的半導體進行復合來提高光催化活性,具體以ZIF-8和ZnCo-ZIF為前驅(qū)物制備Zn_(1-x)Cd_xS和Co-Zn_(1-x)Cd_xS半導體光催化劑(ZIFs是沸石咪唑骨架材料,是由過渡金屬原子與咪唑衍生物連接的具有沸石結(jié)構(gòu)的多孔晶體材料,是MOFs系列的一種,ZIF-8和ZnCo-ZIF同屬ZIFs系列)。另一方面,由于CdS催化劑表面光生電子和空穴分離和傳輸效率低下,大大降低了光催化產(chǎn)氫活性,因此,可通過將CdS和MOF(金屬有機骨架材料,由有機配體與金屬離子或金屬簇所組成的一類具有多孔結(jié)構(gòu)的新型晶體材料)結(jié)合的方法,構(gòu)造異質(zhì)結(jié)來改善光催化產(chǎn)氫效率。此外,CdS表面暴露的活性位點較少,限制了光催化活性,可以通過在表面負載助催化劑(MoS_2)來增加光生電子和空穴的分離,提高光催化產(chǎn)氫活性。具體有以下過程:1.多孔CdS基固溶體(Zn_(1-x)Cd_xS)制備及其產(chǎn)氫性能研究。以ZIF-8作為前驅(qū)物,加入鎘源(Cd(NO_3)·4H_2O)和硫源(硫脲),利用水熱法合成同ZIF-8晶體具有相似外觀形貌的多孔Zn_(1-x)Cd_x S半導體光催化劑(x=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1)。光催化產(chǎn)氫性能測試發(fā)現(xiàn),在可見光照射下,Zn_(1-x)Cd_xS半導體光催化劑(x=0.5)具有最好的光催化產(chǎn)氫性能,然后以ZnCo-ZIF(硝酸鋅、硝酸鈷和二甲基咪唑為原料)作為前驅(qū)物,再合成Co-Zn_(0.5)Cd_(0.5)S半導體光催化劑。通過光催化產(chǎn)氫性能測試發(fā)現(xiàn),Co元素添加量為0.5 at.%時,Co-Zn_(0.5)Cd_(0.5)S半導體光催化劑(Co=0.5 at.%)光催化產(chǎn)氫性能最好,分別是Zn_(0.5)Cd_(0.5)S半導體光催化劑和CdS半導體光催化劑的45.2倍和422.2倍。采用ZIFs為模板合成Zn_(1-x)-x Cd_xS和Co-Zn_(0.5)Cd_(0.5)S半導體光催化劑展現(xiàn)出高度多孔的微觀結(jié)構(gòu)和較高的光催化產(chǎn)氫性能,為制備高性能的納米多孔光催化劑提供了一條有利的途徑。2.CdS/MOF光催化劑制備及其產(chǎn)氫性能研究。利用乙二胺為模板劑先合成CdS納米棒,然后以CdS納米棒為基礎(chǔ),合成CdS/ZIF-8復合納米晶,且ZIF-8添加量為CdS納米棒摩爾量的5 at.%、20 at.%、50 at.%、100 at.%、200 at.%、500 at.%。通過產(chǎn)氫性能測試,發(fā)現(xiàn)當ZIF-8添加量為100 at.%時,產(chǎn)氫量達到最大,為單純CdS納米棒產(chǎn)氫量的101.2倍。此外,還對ZIF-8中部分Zn元素進行Co、Ni、Cu金屬離子摻雜,成功合成CdS/ZnM-ZIF(M=Co、Ni、Cu)異質(zhì)結(jié)光催化劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Co、Ni、Cu三種元素的添加量分別為10 at.%、30 at.%、10 at.%時,光催化劑產(chǎn)氫性能最佳,CdS/ZnCo-ZIF(Co=10 at.%)復合光催化劑產(chǎn)氫量分別是單純CdS和CdS/ZIF-8(ZIF-8=100 at.%)的177.9倍和1.8倍,CdS/ZnNi-ZIF(Ni=30 at.%)復合光催化劑產(chǎn)氫量為別是單純CdS和CdS/ZIF-8(ZIF-8=100 at.%)的277.3倍和2.74倍,CdS/ZnCu-ZIF(Cu=10 at.%)復合光催化劑產(chǎn)氫量為別是單純CdS和CdS/ZIF-8(ZIF-8=100 at.%)的131.9倍和1.3倍。將半導體和MOF復合合成的光催化劑既繼承了MOF的高度多孔的形貌特征,又表現(xiàn)出良好的光生載流子的分離效率,進一步提高了CdS的光催化產(chǎn)氫效率。3.CdS/MoS_2和CdS/P-MoS_2光催化劑制備及其產(chǎn)氫性能研究。以CdS納米棒為基礎(chǔ),負載不同含量的MoS_2(2 at.%、3 at.%、4 at.%)和不同P添加量的P-MoS_2(0.5 at.%、2 at.%、5 at.%)助催化劑,測試發(fā)現(xiàn),隨著MoS_2負載量和P添加量的增加,光催化產(chǎn)氫量先增加后降低,當MoS_2含量和P添加量分別為3 at.%和2 at.%時,光催化產(chǎn)氫性能最好,CdS/MoS_2(3 at.%)光催化劑產(chǎn)氫量為單純CdS的28.8倍,CdS/P-MoS_2(2 at.%)光催化劑產(chǎn)氫量分別為CdS和CdS/MoS_2(3 at.%)光催化劑的44.9倍和1.6倍。在半導體上負載助催化劑是一種提高光催化產(chǎn)氫性能的有效方法,顯示出良好的光催化產(chǎn)氫性能,這是由于MoS_2暴露在催化劑表面的S原子為催化反應(yīng)提供了很多活性位,對光生電子和空穴的分離起到了積極的促進作用,大大提高了光催化劑的產(chǎn)氫效率。
【學位授予單位】：濟南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TQ116.2
【圖文】：

經(jīng)濟發(fā)展最重要的因素之一，如表 1 是 2014 年世界能源生產(chǎn)量與消耗量 2 是 2000 年和 2009 年溫室氣體排放前 15 名的國家[3]。綜合這兩個表可源生產(chǎn)量與消耗量幾乎達到一致，甚至供不應(yīng)求，而中國的能源消耗量遠，從我國溫室氣體的排放來看，2009 年溫室氣體的排放量比 2000 年增加能源供不應(yīng)求、環(huán)境污染逐年惡化的嚴峻形勢下，人們不得不做出一些能改變，而有效開發(fā)一種低碳、綠色、環(huán)保的新型能源迫在眉睫。太陽能是，用之不竭的能源，在未來新能源研究中占據(jù)重要位置，引起了國內(nèi)外人，氫能作為一種清潔、綠色、可循環(huán)的能源[4]，具有高效、對環(huán)境無污染能轉(zhuǎn)化為氫能是有效利用太陽能的途徑之一[5]。而將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能的光催化劑，半導體光催化劑不僅可以產(chǎn)氫，而且可以有效地降解環(huán)境污染前日益嚴峻的能源危機和.環(huán)境污染起到了重要作用，因此，開發(fā)一種催化性較好的光催化劑具有重要的研究意義。

CdS 基半導體光催化劑制備及其產(chǎn)氫性能研究.2 半導體光催化產(chǎn)氫的基本原理半導體材料是一類具有半導體性能且導電能力介于導體和絕緣體之間的一種物質(zhì)常被用來制作半導體器件等[8]，一般情況下，導電率為（10-10-104）Ω·cm-1，可用于化技術(shù)領(lǐng)域。光催化是半導體的獨特性質(zhì)之一，光催化反應(yīng)是指半導體材料。經(jīng)過光照后，將光換為化學能，促使化合物合成或分解的過程[9-12]，但不是所有的半導體材料都可以光解水產(chǎn)氫反應(yīng)，理論上來講，要使半導體光催化劑能夠發(fā)生光催化反應(yīng)，需滿足的條件，即半導體光催化劑必須具有合適的帶隙[13-15]，半導體禁帶寬度大于 1.23可[1]，但是帶隙也不能過大，半導體光催化劑產(chǎn)氫的基本原理如圖 1.2 所示：

.3 半導體光催化活性的影響因素光催化劑的光催化反應(yīng)過程是一個復雜的過程，因此，影響半導體光催化劑催化的因素也有很多[19-20]，包括半導體催化劑自身性質(zhì)以及外界因素影響，主要有以下方面。.3.1 半導體能帶位置半導體光催化劑的光學吸收性能與半導體的帶隙寬度有著密切相關(guān)的聯(lián)系，半導能帶位置和被吸附物質(zhì)的氧化還原電勢，從本質(zhì)上決定了半導體光催化反應(yīng)的能力般來說，如果半導體的價帶氧化電位越正，代表半導體的氧化能力越強，導帶的還位越負，說明半導體的還原能力越強，這種氧化還原能力由半導體自身的性質(zhì)決定外界因素沒有任何關(guān)系[21-24]。圖 1.3 是半導體能帶結(jié)構(gòu)和光解水氧化還原電勢關(guān)系圖

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 王涵;許倩;鄭星;韓文清;江波;孫冠華;鐘彩霞;尹華承;鄭經(jīng)堂;;核殼型PS/CdS復合催化劑的制備及其光催化性能[J];合成化學;2014年06期

2 林克英;馬保軍;蘇f惞

本文編號：2744167