离子掺杂ZnS光催化剂的制备及其分解水制氢性能研究

作     者：包林萍 

作者单位：江西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾超

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：光催化 ZnS 离子掺杂 表面掺杂 均匀掺杂 

摘      要：工业的高速发展带来了能源匮乏问题,而且化石燃料燃烧过程中排放大量废气,对环境产生极大危害,所以开发可再生的清洁能源已经刻不容缓。氢气具有可再生且零碳排放的优点,是非常理想的绿色能源。半导体光催化分解水产氢是一项非常有效的将太阳能转化为氢能的技术。Zn S作为一种典型的半导体材料被广泛研究,但其较宽的能带带隙使其只能吸收紫外光,而且其光生载流子复合率较高,降低了它的光催化活性。元素掺杂是一种拓宽半导体材料光吸收范围,促进光生载流子分离和迁移的有效策略。本论文采用元素掺杂改性Zn S,增强其光催化分解水产氢活性,并系统研究其性能增强机理。利用水热法制备了Co、Cu、Ag、Cr等各种金属离子掺杂硫化锌的光催化剂,通过XRD,SEM,TEM,XPS,UV-vis DRS,PL,光电化学等测试表征手段对所得催化剂的物相组成,形貌,光学性能和电子结构等进行了分析,测试了催化剂的光催化性能,研究了其反应机理。本论文主要的研究内容和研究成果如下:（1）采用简单的水热反应合成了一系列Co表面掺杂的Zn S微球,系统地研究了Co表面掺杂对Zn S光催化活性和电子结构的影响。在Co掺杂Zn S催化剂中,Co离子浓度从样品内部到表面逐渐增高。Co掺杂导致在价带以上形成杂质能级,并且导带上移,能带间隙减小,增强了其可见光吸收,提高了载流子的分离和迁移效率,改变了催化剂表面电子结构,降低了吸附氢原子在催化剂上的氢结合自由能（ΔG）。因此,相对于Zn S材料,Co表面掺杂的Zn S表现出更高的光催化产氢活性。（2）通过水热反应,将价态和离子半径与Zn相似的过渡金属离子(Cu,Co)分别对Zn S进行均匀和表面掺杂,命名为H-MZn S和S-MZn S(M=Cu,Co)。H-MZn S和S-MZn S中掺杂离子M与Zn的实际摩尔比（ICP测定）相同,没有诱生缺陷。所有的离子表面掺杂催化剂都比相应的均匀掺杂催化剂表现出更高的光催化活性,包括分解水产氢和还原CO生成CH、CO。实验和理论结果表明,表面离子掺杂在加速电荷分离和加速产氢动力学方面仍比均匀离子掺杂具有更大的优势。此外,我们分别将Ag和Cr均匀和表面掺杂到Zn S中,发现有缺陷生成,但是表面掺杂催化剂的光催化性能仍优于均相掺杂催化剂。