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近年来,开发具有良好光催化活性的可见光响应催化剂引起越来越多的关注,同时,构建能够充分利用各个组分的优势并得到协同效应的复合材料也吸引了很多研究人员的兴趣,而且我们更加注重采用新的简单、低成本的合成方法来制备新材料。由于硫化镉纳米材料的能带宽度是2.3ev,与太阳光谱有很好的交叠,而且它的导带边比H2O/H2的氧化还原电位更负,这些独特的优势是硫化镉在多个学科都得到了广泛的关注。同时,金纳米粒子凭借其独特的电子、光学、磁力和催化特性也成为一种新型的材料出现。多酸属于前过渡金属氧阴离子簇,表现出丰富的氧化还原特性和光化学特性,在光电催化作用方面有很好的应用前景。
本论文中我们选择有较好能带匹配的硫化镉和多酸,以及有很好光催化特性的金纳米粒子,成功实现了硫化镉/金纳米粒子@多酸三元复合材料的自组装,整个合成过程是在室温下、水相中进行的,简便、有效并且环境友好。
通过透射电子显微镜分析、紫外-可见吸收光谱、X-射线衍射分析、X-射线光电子能谱分析以及荧光光谱分析等一系列的表征手段深入研究了合成的纳米复合材料的形貌、结构和成分,结果表明多酸作为还原剂和连接剂在复合材料中稳定存在,且复合材料结构稳定。
为了研究复合材料的催化性能,我们通过不同的反应来测试其光催化活性。通过光解水产氢以及降解有机污染物的实验表明,纳米复合材料能够有效的吸收可见光,并且表现出很好的协同增强的催化效果,其中负载1%金纳米粒子的CdS纳米棒/Au纳米粒子@多酸的产氢速率比单纯的CdS提高了近7倍,且在降解罗丹明B的反应中其降解速率是单独CdS的3.8倍,是负载同样金纳米粒子的二元材料CdS纳米棒/Au纳米粒子的1.13倍,在降解甲基橙黄反应中,降解速率分别是单纯CdS和二元材料的2倍和1.5倍。对于CdS量子点/Au纳米粒子@多酸系来说,0.6%的CdS量子点/Au纳米粒子@多酸光催化活性最优,产氢性能是单独CdsQDs的3倍,是同等条件二元体系的1.5倍;另外,多酸在两个体系里均表现出助催化的重要作用。
本论文还讨论了复合材料的合成和光催化机理,值得注意的是,多酸作为复合材料的一部分,起到了还原剂、保护剂、桥连剂和共催化剂的作用,不仅在不引进其他有毒分子的条件下成功实现了不同组分的自组装,而且增强了复合材料中不同组分间的电子传递,在提高复合材料的光催化活性方面有着重要作用。我们的工作开启了制备复合材料的新途径,可以充分利用各个组分的优势并获得协同增强的特性,这将在新型太阳能复合材料的开发中有着广阔的前景。