近年來,日益嚴重的能源短缺和環(huán)境污染問題已經(jīng)嚴重制約了人類的可持續(xù)發(fā)展。因此,綠色可再生能源的開發(fā)迫在眉睫。氫氣具有能量密度高、燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)勢,可以滿足人們對新型可持續(xù)能源的需求。太陽能光解水制氫技術(shù)是開發(fā)利用氫能的重要途徑之一。其中,高性能光催化劑的開發(fā)是關(guān)鍵。硫化鎘（CdS）具有合適的帶隙寬度和能帶邊緣位置,被認為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的可見光光催化劑材料。此外,考慮到一維納米結(jié)構(gòu)所特有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢能夠促進光生電荷的快速傳輸與分離。因此,設(shè)計合成具有新穎結(jié)構(gòu)的一維CdS基納米復(fù)合材料,研究其結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系對光催化技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本論文以一維CdS基納米結(jié)構(gòu)為研究對象,通過優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的界面結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移機制來提高光催化劑的性能,為新型高效光催化材料的開發(fā)提供新的研究思路。本文具體工作總結(jié)如下:1、設(shè)計合成了新型全固態(tài)Z-機制光催化劑Cd1-xZnxS@WO3=x和Cd1-xZnxS@WO3-x/CoOx/NiOx復(fù)合材料,并研究了它們的可見光響應(yīng)光解水產(chǎn)氫活性。其中,Cd1-xZnxS@WO3-x納米復(fù)合材料是通過溶劑熱法和后續(xù)的室溫水解氧化過程制備所得,它是由... 

【文章來源】：青島科技大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：96 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

光催化原理圖[10]

過渡金屬半導(dǎo)體復(fù)合材料的可控合成及其光催化性能的研究2根據(jù)以能帶為基礎(chǔ)的電子理論，半導(dǎo)體的能帶是由一個空的的高能導(dǎo)帶(CB)和一個充滿子電子的低能價帶(VB)所組成的，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶之間存在著一個區(qū)域叫禁帶，導(dǎo)帶和價帶間禁帶的大小稱為禁帶寬度(Eg)。當(dāng)半導(dǎo)體吸收的能量等于或大于其禁帶能量的輻射時，電子由價帶激發(fā)至導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對，電荷載流子進一步與半導(dǎo)體表面的吸附物種反應(yīng)[11]。經(jīng)過科學(xué)家們不斷的努力，對于光催化產(chǎn)氫的機理有了初步了解。以圖1-1所示，第一步：大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度的太陽光輻射到半導(dǎo)體上，激發(fā)后產(chǎn)生的光生電子從半導(dǎo)體的價帶遷移到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶上，價帶上留下一個帶正電的光生空穴，產(chǎn)生的電子具有還原能力而空穴則具有氧化能力；第二步：光生電子和空穴極易發(fā)生復(fù)合并以光和熱的形式釋放能量，而沒有復(fù)合的電子-空穴對分離和遷移到催化劑的表面參與水的氧化還原反應(yīng)；第三步：導(dǎo)帶中的光生電子遷移至催化劑的表面將質(zhì)子(H+)還原為氫氣(H2)，而光生空穴將水(H2O)氧化為氧氣(O2)。圖1-2部分半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)與水分解氧化還原電位間的關(guān)系。Figure1-2relationshipbetweensemiconductorbandstructureandwaterdecompositionredoxpotential.可用于光催化產(chǎn)氫的半導(dǎo)體，一方面需要半導(dǎo)體的禁帶寬度越窄越好，以便于半導(dǎo)體在更寬的光譜范圍內(nèi)響應(yīng)，吸收更多的太陽能能量產(chǎn)生更多的光生載流子；另一方面需要半導(dǎo)體的導(dǎo)帶點位高于產(chǎn)氫的析出點位，導(dǎo)帶上的電子才可以用于光催化分解水產(chǎn)氫。1.3光催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀通過科學(xué)家們過去幾十年的努力，開發(fā)出許多優(yōu)良的光催化劑，主要包括氧化物，氮化物和硫化物等。

劑相比，核殼型In2O3-In2S3納米結(jié)構(gòu)的氫氣產(chǎn)生速率明顯提高。但是通常氧化物半導(dǎo)體的帶隙較寬，只能吸收太陽光中的紫外光部分，這極大制約了氧化物光催化劑在實際中的應(yīng)用。Chen等人[16]采用原位光沉積法制備了非晶態(tài)CoSx改性二氧化鈦光催化劑。在紫外光的照射下，CoSx/TiO2光催化劑對氫氣的催化性能明顯高于純TiO2。CoSx/TiO2的光催化性能的提高源于其快速的界面電荷轉(zhuǎn)移和大量的不飽和S原子的活性位點來快速捕獲質(zhì)子進行產(chǎn)氫。當(dāng)非晶態(tài)CoSx的量為10wt%時，CoSx/TiO2的產(chǎn)氫速率達到119.7μmolh1，幾乎是純TiO2的16.7倍。圖1-3CoSx/TiO2催化劑的合成機理圖[16]。Figure1-3SchematicillustrationforthesynthesisofCoSx/TiO2photocatalyst[16].1.3.2氮化物光催化劑N2p和O2p的軌道都具有易雜化的性質(zhì)，并且N2p軌道相對于O2p價帶位置更正，所以引起了眾多研究者的興趣。在化合物中引入氮元素，減小催化劑帶隙，拓寬光譜吸收范圍。常見的氮化物，像g-C3N4[17]，Ta3N5[18]等。Xiao等人[18]，利用氧化石墨烯模板化策略，設(shè)計出厚度約為2nm的Ta3N5超薄納米網(wǎng)。由于Ta3N5的高表面積和良好的結(jié)晶度，有效地改善了電子的傳輸能力并延長了載流子的壽命。當(dāng)用作光催化劑時，Ta3N5納米網(wǎng)在利用太陽能光解水制氫方面顯著優(yōu)于其它光催化劑。

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]MoS2納米片/CdS納米線復(fù)合光催化劑的制備及其光電化學(xué)和光催化活性研究（英文）[J]. 王紅梅,Sara Bonabi Naghadeh,李春鶴,應(yīng)露,A’Lester Allen,張金中.  Science China Materials. 2018(06)
[4]金屬受體輔助S–O耦合作用改善六方相三氧化鎢光解水性能的研究（英文）[J]. 楊晨熹,陳建峰,曾曉飛,程道建.  Science China Materials. 2018(01)
[5]納米異質(zhì)結(jié)光催化劑制氫研究進展（英文）[J]. 杜虹,劉亞男,申叢叢,徐安武.  催化學(xué)報. 2017(08)
[6]氫化能帶可調(diào)的TiO2/SrTiO3多孔微球用于光催化制備氫氣和氧氣（英文）[J]. 韓陶然,陳亞杰,田國輝,周衛(wèi),肖玉婷,李金鑫,付宏剛.  Science China Materials. 2016(12)



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