Zn0.8Cd0.2S-乙二胺纳米片的改性及其光催化制氢性能的研究

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利用太阳光进行光解水制氢气已成为近年来新能源(氢能)制备的研究热点,Zn0.8Cd0.2S固溶体因具有适宜的能带结构被研究者广泛应用。本论文在Zn0.8Cd0.2S-乙二胺(En)纳米片的基础上,通过WS2的负载以及Ce3+、Ni2+、Co2+离子掺杂对其进行改性,深入研究改性对光催化材料的结构、光吸收性能、电化学性质和光催化产氢性能的影响。分别采用一步水热法和光沉积法制备出了不同硫化钨负载量的Zn0.8Cd0.2S-En纳米片,采用SEM、TEM、XRD、FT-IR、PL、UV-vis等分析方法对其进行了表征,探讨了光催化剂的形貌、组成结构、能带结构对光催化性能的影响。研究结果表明,通过水热法和光沉积法负载WS2均可以增强Zn0.8Cd0.2S-En纳米片对可见光的吸收能力,二者之间形成的异质结结构有效的提高了光生电子-空穴的分离效率,从而显著的提高了复合光催化材料的光催化产氢活性。不同的是,水热法负载WS2可以减小复合光催化材料的禁带宽度,而光沉积法制备的样品中,WS2与Zn0.8Cd0.2S-En纳米片是表面间的相互作用,但其光生电子-空穴的分离效率明显高于水热法制备的系列样品,所以其光催化产氢活性更大。随着负载量的增加,复合光催化材料的光催化活性表现出先上升后下降,0.1WS2/Zn0.8Cd0.2S-En和2.0PWS2/Zn0.8Cd0.2S-En在各自制备方法中表现出最高光催化制氢活性,其产氢速率分别为240.8μmol h-1和285.7μmol h-1,分别是纯Zn0.8Cd0.2S-En纳米片的1.41倍和1.68倍。采用一步水热法,将Ce3+、Ni2+、Co2+离子分别以硫化铈、硫化镍、硫化钴的形式掺杂于Zn0.8Cd0.2S-En纳米片中,利用稀土金属元素和过渡金属元素对Zn0.8Cd0.2S-En纳米片进行改性。研究结果表明,Ce3+的掺杂可提高本体对可见光的吸收,拓宽光吸收范围,并且硫化铈与Zn0.8Cd0.2S-En之间形成的异质结结构有利于提高光生载流子的分离效率,是提高光催化制氢活性的关键,Ce3+最佳掺杂量为0.1%,光催化制氢速率为229.2μmol h-1,是本体的1.38倍;Ni2+和Co2+的掺杂可以减小Zn0.8Cd0.2S-En纳米片的禁带宽度,使价带上的电子更容易跃迁到导带,在光催化反应中,Ni2+和Co2+作为光生电子的捕获阱,有效的抑制了光生电子-空穴的复合,使光生电子得到了快速的转移,从而提高了复合光催化材料的产氢活性,Ni2+的最佳掺杂量为0.1%,光催化制氢速率为209.9μmol h-1,是本体的1.2倍;Co2+的最佳掺杂量为0.05%,光催化制氢速率为197.5μmol h-1,是本体的1.16倍。
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