两种硫化镉纳米棒异质结构的制备与光催化产氢性能研究

《两种硫化镉纳米棒异质结构的制备与光催化产氢性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、硕士学位论文两种硫化镉纳米棒异质结构的制备与光催化产氢性能研究国基自然科学基金资助（21673080）作者姓名王璧莹学科专业工业催化指导教师彭峰教授所在学院化学与化工学院论文提交日期2018年4月PreparationoftwokindsofCdSnanorodherterogeneousstructuresandtheirphotocatalyticperformancesforhydrogenproductionADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandida

2、te：WangBiyingSupervisor：Prof.PengFengSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：学校代号：10561学号：201520118569华南理工大学硕士学位论文两种硫化镉纳米棒异质结构的制备与光催化产氢性能研究作者姓名：王璧莹指导教师姓名、职称：彭峰教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：工业催化研究方向：纳米材料与能源环境催化论文提交日期：2018年04月24日论文答辩日期：2018年06月03日学位授予单位：华南理工大学

3、学位授予日期：年月日答辩委员会成员：余林，阎常峰，董新法，彭峰，余皓主席：余林委员：阎常峰，董新法，彭峰，余皓摘要随着全球能源结构升级，以太阳能为代表的绿色、清洁、可持续发展新能源在社会发展中逐渐占据重要地位。半导体材料元件可用于太阳能与化学能之间的转化，让光能以热能、电能或氢能的形式利用、运输或储存。硫化镉（CdS）是一种窄带隙的半导体材料，能够被波长小于520nm的光激发，常用作光催化剂分解水产氢，但稳定性差。本论文以硫化镉纳米棒阵列（CdSNRAs）为基础，分别采用氢化热处理与水解法制备两种CdSNRAs异

4、质结构，提高CdS光催化制氢活性与稳定性；结合表征探究异质结构对材料性能的影响以及催化反应机理。论文主要研究内容与结论如下：（1）以导电玻璃（FTO）上生长的CdSNRAs为基础，在氢气、氮气混合气氛围中氢化热处理，利用导电玻璃的SnO2涂层与CdS的反应，在CdSNRAs表面原位生成含有CdS/SnS/SnO2三元异质结构的纳米颗粒。通过对氢化反应温度与反应时间的系统研究，得到最佳氢化条件为450℃反应2h，制备的CdSNRAs-H2-450(2h)异质结构光电流达到12mA·cm-2，是没有氢化的CdSNRA

5、s-N2的1.5倍。光催化产氢测试表明，可见光（λ＞400nm）下，最佳氢化的CdSNRAs-H2-2初始光催化产氢速率为23.33μmol·cm-2·h-1，五个循环反应后速率为23.75μmol·cm-2·h-1，而未氢化的CdSNRAs-N-2-12在初始产氢速率为20.0μmol·cm·h，五次循环后衰减至11.5μmol·cm-2·h-1，可见，氢化处理形成的异质结构能够有效增强CdS光催化稳定性，并提高光催化产氢活性。这种异质结构能带呈阶梯状排列，CdS的光生电子向SnO2导带转移，光生空穴向价带较低

6、的SnS转移，抑制CdS自氧化反应，同时也会减少光生载流子的复合，从而提高复合材料的稳定性与光能转化率。这种制备方法简单、易行，CdS光催化性能显著改善。（2）采用水解法在CdSNRAs表面负载TiO2米层，生成含CdS/TiO2二元异质结构的纳米复合材料，包覆层厚度均匀的关键是加入表面活性剂并控制合适的反应时间。水解产生的弱酸性会刻蚀CdS表面形成坑洞，虽然有CdS损失并伴随表面缺陷态的量增加，但CdS与TiO2之间的接触面积增大、结合更紧密。光催化性能最优异的样品为水解反应72h制备的CdS@TiO2-72。

7、在AM1.5模拟光照条件下，CdS@TiO2-72第五个循环后产氢速率是28.44μmol·cm-2·h-1，约为初始速率的68%；而CdSNRAs-N2第五个循环后产氢速率仅为8.86μmol·cm-2·h-1，是初始速率36%，可见在CdS表面形成CdS/TiO2的异质结构，能有效提高CdS光催化活性与稳定性。结构分析表I明，CdS的部分光电子会向导带位置更低的TiO2快速转移，提高了催化剂的光能转化效率。同时，由于TiO2包覆层影响，CdS自氧化反应生成的S等氧化产物扩散受到抑制，从而阻碍CdS的自氧化进程

8、。另一方面，经过外部絮状TiO2包覆层散射与吸收，激发内部CdSNRAs的光能主要为可见光部分。CdS@TiO2-h稳定性与光催化活性的提高是TiO2包覆层厚度、异质结构紧密程度等多方面因素的综合作用。关键词：光催化；制氢；硫化镉纳米棒阵列；氢化热处理；异质结构。IIAbstractWhileglobalstructureofenergyupdating,green,cl