發(fā)布時間：2020-09-03 18:02

　　 隨著全球能源結(jié)構(gòu)升級,以太陽能為代表的綠色、清潔、可持續(xù)發(fā)展新能源在社會發(fā)展中逐漸占據(jù)重要地位。半導(dǎo)體材料元件可用于太陽能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化,讓光能以熱能、電能或氫能的形式利用、運輸或儲存。硫化鎘(CdS)是一種窄帶隙的半導(dǎo)體材料,能夠被波長小于520 nm的光激發(fā),常用作光催化劑分解水產(chǎn)氫,但穩(wěn)定性差。本論文以硫化鎘納米棒陣列(CdS NRAs)為基礎(chǔ),分別采用氫化熱處理與水解法制備兩種CdS NRAs異質(zhì)結(jié)構(gòu),提高CdS光催化制氫活性與穩(wěn)定性;結(jié)合表征探究異質(zhì)結(jié)構(gòu)對材料性能的影響以及催化反應(yīng)機理。論文主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)以導(dǎo)電玻璃(FTO)上生長的CdS NRAs為基礎(chǔ),在氫氣、氮氣混合氣氛圍中氫化熱處理,利用導(dǎo)電玻璃的SnO_2涂層與CdS的反應(yīng),在CdS NRAs表面原位生成含有CdS/SnS/SnO_2三元異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米顆粒。通過對氫化反應(yīng)溫度與反應(yīng)時間的系統(tǒng)研究,得到最佳氫化條件為450℃反應(yīng)2 h,制備的Cd S NRAs-H_2-450(2 h)異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電流達到12 mA·cm~(-2),是沒有氫化的CdS NRAs-N_2的1.5倍。光催化產(chǎn)氫測試表明,可見光(λ400 nm)下,最佳氫化的CdS NRAs-H_2-2初始光催化產(chǎn)氫速率為23.33μmol·cm~(-2)·h~(-1),五個循環(huán)反應(yīng)后速率為23.75μmol·cm~(-2)·h~(-1),而未氫化的CdS NRAs-N_2在初始產(chǎn)氫速率為20.0μmol·cm~(-2)·h~(-1),五次循環(huán)后衰減至11.5μmol·cm~(-2)·h~(-1),可見,氫化處理形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠有效增強CdS光催化穩(wěn)定性,并提高光催化產(chǎn)氫活性。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶呈階梯狀排列,CdS的光生電子向SnO_2導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移,光生空穴向價帶較低的SnS轉(zhuǎn)移,抑制CdS自氧化反應(yīng),同時也會減少光生載流子的復(fù)合,從而提高復(fù)合材料的穩(wěn)定性與光能轉(zhuǎn)化率。這種制備方法簡單、易行,CdS光催化性能顯著改善。(2)采用水解法在CdS NRAs表面負載TiO_2米層,生成含CdS/TiO_2二元異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料,包覆層厚度均勻的關(guān)鍵是加入表面活性劑并控制合適的反應(yīng)時間。水解產(chǎn)生的弱酸性會刻蝕CdS表面形成坑洞,雖然有CdS損失并伴隨表面缺陷態(tài)的量增加,但CdS與Ti O_2之間的接觸面積增大、結(jié)合更緊密。光催化性能最優(yōu)異的樣品為水解反應(yīng)72 h制備的CdS@TiO_2-72。在AM1.5模擬光照條件下,CdS@TiO_2-72第五個循環(huán)后產(chǎn)氫速率是28.44μmol·cm~(-2)·h~(-1),約為初始速率的68%;而Cd S NRAs-N_2第五個循環(huán)后產(chǎn)氫速率僅為8.86μmol·cm~(-2)·h~(-1),是初始速率36%,可見在CdS表面形成CdS/TiO_2的異質(zhì)結(jié)構(gòu),能有效提高CdS光催化活性與穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)分析表明,CdS的部分光電子會向?qū)恢酶偷腡iO_2快速轉(zhuǎn)移,提高了催化劑的光能轉(zhuǎn)化效率。同時,由于TiO_2包覆層影響,CdS自氧化反應(yīng)生成的S等氧化產(chǎn)物擴散受到抑制,從而阻礙CdS的自氧化進程。另一方面,經(jīng)過外部絮狀TiO_2包覆層散射與吸收,激發(fā)內(nèi)部CdS NRAs的光能主要為可見光部分。CdS@TiO_2-h穩(wěn)定性與光催化活性的提高是TiO_2包覆層厚度、異質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密程度等多方面因素的綜合作用。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;TQ116.2
【部分圖文】：

載流子在異質(zhì)結(jié)內(nèi)的轉(zhuǎn)移路徑圖。Figure 1-1. Schematic of photogenerated charge transfer in the CdS/npg-C3N4system under visible light.異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)，被激發(fā)的光電子不僅能夠與自身價帶的空穴發(fā)生復(fù)合，也能夠同異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)相較于自身價帶更負的價帶空穴復(fù)合，這是不同于以上的另一種載流子轉(zhuǎn)移路徑。Gopal K. Mor 等人將 N 型半導(dǎo)體材料 TiO2納米管與 P 型半導(dǎo)體材料 Cu-Ti-O 納米管結(jié)合分別長在同一片 FTO 的兩側(cè)，并利用電子介質(zhì)的連接使兩側(cè)材料間可以導(dǎo)電，兩種材料間形成的類似于二極管的 PN 結(jié)[32]。光從 N 型半導(dǎo)體面入射，穿透 FTO 再被Cu-Ti-O 吸收利用，整體的復(fù)合材料吸收光譜范圍可以達到 380 nm ~ 850 nm，光能轉(zhuǎn)化效率是 0.3%，光電流 0.25 mA·cm-2。Ke Ma 等人也是通過在 TiO2與 CdS 間加入電子介質(zhì)苯醌合成 Z 型自偏壓納米復(fù)合材料，苯醌以 DNA 為載體跨越連接在 TiO2與 CdS 納米顆粒間，通過改變 DNA 鏈的長度、位點等可以調(diào)節(jié)電子介質(zhì)與 TiO2、CdS 之間的距[33]

12圖 2-1，光催化活性評價系統(tǒng)裝置圖Figure 2-1. The experimental devices for evaluating photocatalytic performance.

3.2.2 不同條件熱處理 CdS NRAs3.2.2.1 氮氣熱處理氮氣熱處理 CdS NRAs 是指將干燥的 CdS NRAs 置于管式爐中，在恒定流速（10mL·min-1）條件下通入純氮氣（N2），反應(yīng)條件為 450 ℃保持 2 h，樣品記作 CdSNRAs-N2。3.2.2.2 不同溫度氫氣氮氣熱處理氫化熱處理 CdS NRAs 是指將干燥的 CdS NRAs 置于管式爐中，在恒定流速條件下通入純氮氣（N2）與純氫氣（H2）的混合氣，混合比例為 N2: H2=4:1。為了探討溫度的影響，在保持反應(yīng)時間為 2 h 不變的前提下，反應(yīng)溫度為變量 T，設(shè)置 5 個不同的溫度條件，分別為 300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃與 500 ℃，并記作 CdSNRAs-H2-T。如圖 3-1 所示，為 CdS NRAs 制備過程與 CdS NRAs-H2-T 形貌結(jié)構(gòu)形成的示意圖。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 衣曉鳳;鄭晉生;趙一兵;;NaOH溶液中CdS納米棒的水熱合成[J];高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報;2012年12期

2 張志海;史成武;孫嵩泉;吳玉程;;噴霧熱解法制備摻氟氧化錫導(dǎo)電玻璃及其性能[J];功能材料與器件學(xué)報;2010年02期

本文編號：2811769