硫化锌复合物的制备及其光催化析氢性能研究

作     者：邓大双 

作者单位：西华师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何平

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 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：光催化 光催化剂 硫化锌 复合物 析氢 

摘      要：在过去的几十年里,由于人口的快速增长和全球经济的迅速发展,能源匮乏和环境问题引起人们的广泛关注,成为急需解决的一个重要难题。因此,发展可持续的清洁能源就显得尤为重要。在众多能源中,氢能因其高效清洁的特点而备受关注。近年来,光催化技术由于使用清洁和取之不尽的太阳能,在有机污染物降解、二氧化碳还原、固氮和产氢等领域获得了广泛的关注。利用丰富可再生的太阳能将水分解成氢气,寻找具有合适的价带、导带和带隙要求的半导体光催化材料将成为重中之重。过渡金属硫化物中的硫化锌(ZnS)满足光催化析氢要求且原料价廉易得,制备简单,因而具有重要的研究意义。但ZnS是一个宽禁带材料,太阳光利用率低,且具有光生电子空穴复合率高,光腐蚀等缺点,这限制了其实际应用。因此,需要对ZnS进行改性来提升光催化活性,以满足实际应用。基于此,本文致力于设计合成研究改性ZnS复合材料,在于拓宽光响应范围和降低光生载流子复合率。本文研究结果如下:1、以无水乙酸锌、氯化铜作为原料,通过热溶剂法制备了双组分光催化剂CuS/ZnS。以光催化析氢能力来评估其光催化活性,探究CuS与ZnS质量比对光催化析氢性能的影响。实验结果表明,2%CuS/ZnS具有最优析氢性能,在可见光的照射下,以NaS/NaSO为牺牲剂,析氢量达到了1569.3μmol gh,是纯ZnS的16.5倍。机理探索表明CuS/ZnS比纯ZnS具有更优可见光光吸收能力和更高的载流子分离效率,这明显提高了其光催化产氢性能。2、首先采用沉淀法制备出CuS半导体,进而通过热溶剂法将CuS和ZnS进行复合来制备CuS/ZnS二元半导体光催化剂。通过调控CuS的质量来调整与ZnS的质量比。对系列复合光催化材料在可见光下进行产氢测试,结果表明,相较于ZnS,CuS/ZnS光催化剂性能显著提高,其中样品10%CuS/ZnS呈现出最优的析氢性能,其析氢速率为2504.8μmol gh。另外,四次循环实验后,10%CuS/ZnS仍然具有较好的析氢性能,这表明改性复合材料具有较高的稳定性。CuS/ZnS优异的光催化性能可以归因于助催化剂CuS的负载有效提高了复合光催化剂的导电率、捕获电子、抑制空穴和电子复合、高光利用率。3、采用模板法制备了立方体CuS,将CuS与ZnS通过热溶剂法复合制备了二元复合光催化剂。探讨了CuS/ZnS的质量比对复合材料光催化性能的影响。实验结果表明,15%CuS/ZnS呈现出最优的光催化析氢性能,其析氢速率为3340.5μmol gh,是纯ZnS的35.1倍,经过四个循环后仍表现出较好的稳定性。机理探讨结果表明光催化活性的提高在于有效抑制光生载流子的复合。