Zn-In-S类光催化剂的设计制备及其产氢性能研究

作     者：李秀萍 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李天铎

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 

主      题：硫化物 光催化 产氢 元素掺杂 助催化剂 

摘      要：金属硫化物半导体光催化剂因较强的吸光能力、优良的光稳定性而被广泛应用于产氢光催化剂研究。但由于金属硫化物光催化剂中的光生电荷易复合,产氢速率仍然低下。因此,为提高金属硫化物光催化剂的产氢速率,需要对其进行合理的设计和调控。本论文通过负载助催化剂、掺杂过渡金属离子、调控光催化剂的元素组成等方式成功制备出高可见光响应性、高光催化产氢活性的光催化剂。具体的研究内容及结论如下:(1)以MoS做助催化剂,以ZnInS做光催化剂,探究了通过简单一步水热法制备出的MoS/ZnInS复合光催化剂的产氢活性,并通过TEM和XPS等表征手段证实了MoS的生成及负载。光催化产氢实验表明,MoS/ZnInS复合光催化剂较ZnInS光催化剂的产氢速率显著提高,其中,当MoS负载量为1.2%时,其产氢速率达到32.1μmol h mg,是无负载MoS的ZnInS光催化剂产氢速率的3.5倍。上述结果表明负载MoS助催化剂,可以有效的促进光生电子-空穴的分离和迁移,进而显著提高光催化产氢速率。这一工作为MoS作产氢助催化剂的探索研究提供了启示。(2)以InSQDs为光催化剂,通过掺杂过渡金属离子Zn和/或Cu,成功制备出不同元素组成和比率的Cu-InS、Zn-In-S、Cu-Zn-In-S等量子点光催化剂。并通过调控掺杂Cu或Zn的种类和数量,成功实现对InSQDs导带电势和价带电势的协同调控。研究发现,掺杂Cu可以显著提高光催化剂的价带电势,减小光催化剂的带隙,增强光催化剂对可见光的吸收;掺杂Zn可以提高光催化剂的导带电势,增强产氢还原反应驱动力。因此,通过调控掺杂Cu和Zn的组成和比例可成功制备出高可见光响应性和具备高产氢还原驱动力的光催化剂。最终,制备的Cu-Zn InS QDs具有优异的光催化产氢活性,在可见光照射和Ni助催化剂存在下,其产氢速率144.4μmol h mg,是InSQDs的480倍。(3)以Ag-Zn InSQDs为光催化剂,为提高其光催化产氢效率,通过两步水热法成功制备出MoS/Ag-Zn InS复合光催化剂。探索了负载MoS助催化剂、掺杂过渡金属Ag对提高光催化剂产氢活性的影响。对复合光催化剂的吸光性能、光生载流子的分离和迁移特点进行表征研究发现,掺杂Ag可降低光催化剂带隙,增强光催化剂对可见光响应性;负载MoS后,促进光生电子从Ag-Zn InS定向迁移至MoS,提高了光生电子-空穴的分离效率和利用率。产氢实验表明,0.8%MoS/Ag-Zn InS复合光催化剂在可见光照射下,反应8h的产氢量达1557.7μmol,是Ag-Zn InS QDs的305倍。