硫化铟镉基半导体催化剂的制备及其光催化分解水产氢性能研究

作     者：谢林君 

作者单位：江西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈景林;陈儆

授予年度：2023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] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：CdIn2S4 光催化 产氢 半导体 

摘      要：近几十年来化石燃料储量的急剧下降及其燃烧所带来的环境污染问题已成为世界面临的难题之一。寻求新能源取代化石能源成为人们追求的目标。作为一种纯净的可再生自然资源,太阳能每小时产生的能量远远超过全球人类每天消耗的能量,利用好太阳能对解决人类面临的能源危机意义重大。氢能具有高能量密度、燃烧后不产生温室气体等优点,成为人们心目中理想的能源载体。光催化水分解制氢是新兴的制氢技术,理想状态下,它是水在太阳光照射下通过催化剂的作用分解成氢气和氧气,是太阳能转化为化学能的过程,其核心是高效的催化剂。目前,该技术面临的主要难题是光催化剂对太阳光的利用率低、光量子产率、光生载流子易复合以及易受光腐蚀。开发新型、高效、高稳定性、经济的光催化剂成为该技术实际应用的关键。CdInS是三元金属硫化物,属于n型半导体,由于其光敏特性、较窄的带隙、合适的导带和价带电势受到了广泛的关注,它被认为是一种具有巨大潜力的光催化剂,应用在太阳能电池、光催化剂和发光二极管等方面。然而,由于电荷分离速率低,其光催化分解水制氢性能并不突出。所以,利用可实施策略修饰CdInS以改善其光催化分解水制氢性能有重要意义。在本文中,使用了水热合成技术来制备CdInS,并将它与ZnS、ZnO和PAN半导体材料一起构建异质结。研究内容及结论主要包括:1:采用水热合成的方法,合成了系列CdInS/x ZnS（x=4、8、12和14）复合材料。其中,CdInS/12ZnS催化剂,制氢量达到3743μmol·g·h,是纯CdInS的59.1倍,是纯ZnS的14.4倍,表明该复合材料具有良好的光催化分解水制氢性能。CdInS和ZnS之间的强相互作用、Z型异质结的形成、更有效的电荷分离、扩展的光响应、更高的电子迁移和更强的氧化还原性质提升了CdInS/ZnS的光催化活性。2:采用水热合成方法,制备了系列CdInS/XZnO（X=6.1、9.2、12.3和18.4）光催化材料。其中CdInS/12.3ZnO的光催化分解水制氢的活性最好,制氢量达到2320μmol·g·h,约为纯的CdInS产氢速率的46.11倍,是ZnO产氢速率的2.76倍,表明该复合材料具有良好的光催化水产氢的作用。ZnO和CdInS相互作用产生的电场有效地分离了电子和空穴,两者之间的合适的比例导致了复合材料更优越的性能。3:制备了系列CdInS/12.3ZnO-PANx（x=20、30和40）光催化剂,评价了其光催化分解水制氢的活性。CdInS/12.3ZnO-PAN30的产氢速率为4.33 mmol·g·h,是PAN光催化剂的54.5倍以上,是CdInS/12.3ZnO光催化剂的5.7倍以上。结果表明,CdInS/12.3ZnO与PAN纳米复合材料的形成有利于光生电子和空穴的分离,提高了其光催化分解水制氢的活性。