过渡金属硫化物基可见光催化剂的制备及性能研究

作     者：郭小华 

作者单位：陕西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马剑琪

授予年度：2024年

学科分类：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] 0815[工学-水利工程] 0703[理学-化学] 

主      题：过渡金属硫化物 复合材料 MoS2 石墨烯 光催化还原 

摘      要：伴随着工业的快速发展,水污染问题也日益严重,并引发了多种疾病,包括痢疾、沙门氏菌病、隐孢子虫病、肝炎、癌症、霍乱、皮疹、胃并发症、呼吸系统疾病、肝病、神经系统疾病、生殖系统疾病等,对人类健康、生态环境造成巨大危害。重金属、染料和持久性有机污染物是自然界中最主要的三种污染物。这些污染物在环境中即使是微量的的存在,也会严重危害人类的健康。为了消除水环境中的污染物,人们开发了许多技术、如膜分离、吸附、沉降、混凝絮凝和高级氧化等水处理技术。不过这些技术都存在处理不完全、存在二次污染或耗费高等问题。而光催化作为一种可利用太阳能且条件温和的方法引起广泛关注。CdS作为一种可以吸收可见光的材料,具有优异的光催化活性。但也因其光生载流子分离效率低,易于光腐蚀使其应用受到限制。通过与其他材料复合形成异质结结构,可以提高光生电子-空穴分离效率,从而提高催化活性。本论文以CdS为基础,通过不同方法制备出不同形貌的复合材料,对其形貌、结构、光学性能进行表征,在此基础上研究其催化活性,并提出了催化机理。具体研究内容和结论如下: （1）采用溶剂热法制备了单晶CdS纳米棒（NRs）。通过原位光沉积法（PD）和水热法（HT）,在CdS NRs上装饰Mo S助催化剂,分别得到Mo S/CdS-PD和Mo S/CdS-HT光催化剂。在可见光照射下,比较研究了Mo S/CdS-PD和Mo S/CdS-HT将对硝基苯胺（p-NA）还原为对苯二胺（p-PDA）的光催化活性。结果表明:i)当Mo S通过原位PD附着在CdS NRs上时,超薄Mo S纳米片可以均匀、紧密地附着在CdS NRs上,形成核壳Mo S/CdS-PD复合材料;而通过HT方法,Mo S纳米片聚集形成堆叠的多层结构,并与CdS NRs松散耦合,生成非核壳Mo SCdS-HT。ii)与Mo S/CdS-HT相比,Mo S/CdS-PD对p-NA的光催化还原效率更高,这可能是因为Mo S与CdS之间的界面接触更紧密,Mo S/CdS-PD中CdS到Mo S的电子传递比Mo S/CdS-HT中更有效。 （2）采用溶剂热法,使用不同溶剂和配位剂制备了CdS纳米球（NSPs）和CdS纳米线（NWs）。通过静电自组装法制备了CdS NSPs/石墨烯（GR）和CdS NWs/GR复合材料,通过TEM、XRD、UV-vis DRS、PL和Raman等手段对催化剂结构进行了表征。以光催化还原p-NA和Cr（Ⅵ）为模型反应,研究了几种催化剂的催化活性。结果显示CdS NSPs为微小晶粒结合成的纳米球,而CdS NWs为单晶结构。通过静电自组装,石墨烯（GR）与CdS之间形成紧密的界面接触。在可见光下,CdS NWs表现出比CdS NSPs更好的催化活性,这可能是由于CdS NWs的单晶结构及其高的长径比,从而获得较高的光生电子-空穴（e-h）分离效率。相较于纯CdS、CdS NSPs/GR和CdS NWs/GR的催化活性都有大幅度提高,这可归因于CdS与GR之间的紧密接触,因为GR具有高的电子传导性和迁移率,显著改善了CdS光生电荷载流子的转移和分离。同时GR的存在也抑制了CdS的光腐蚀,大的表面积也提供了更多吸附位点,从而提高催化活性。