三元NiS/CQDs/ZnIn2S4光催化体系的合理设计及其产氢性能

摘要

氢气是一种清洁能源,利用半导体光催化技术将水转化成氢气是解决全球能源危机和环境污染问题的有效途径之一.开发高效的光催化体系以实现水分解产氢是目前能源领域中的一个研究热点.六方相的ZnIn2S4是一种三元金属硫化物,因其具有能够吸收可见光的窄带隙(约2.4eV)和良好的化学稳定性,在光催化产氢方面得到了较好应用.在半导体光催化产氢体系中,往往需要加入助催化剂来提供产氢活性位并降低产氢反应的过电位,这种半导体/助催化剂体系中光催化产氢效率不仅取决于助催化剂的组成和结构,还受二者界面之间光生电子传输效率的影响.我们课题组前期研究发现,NiS作为一种廉价的非贵金属助催化剂能够提高ZnIn2S4在可见光下的光催化产氢活性.考虑到碳量子点(CQDs)是一种具有良好导电能力的纳米材料,并已被负载于半导体光催化剂上来促进半导体表面光生电子的传输,本文将CQDs作为光生电子传输的“桥梁”引入到NiS/ZnIn2S4体系中,用来促进光生电子从ZnIn2S4到NiS的定向传输,从而提高其光催化产氢效率.实验首先合成NiS/CQDs复合材料,然后在其存在下进行ZnIn2S4的自组装制得NiS/CQDs/ZnIn2S4.利用X射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、傅立叶红外光谱、X射线光电子能谱和紫外-可见漫反射光谱对催化剂的组成、结构及光学性质进行了详细表征,考察了其在可见光下以三乙醇胺(TEOA)为牺牲剂时的光催化分解水产氢性能.结果表明,含有CQDs的NiS/CQDs/ZnIn2S4光催化剂在光照5h后的产氢总量达到142μmol,分别为相同条件下ZnIn2S4和NiS/ZnIn2S4产氢总量的5.5和1.6倍.相比于通过将NiS沉积在预先合成的CQDs/ZnIn2S4上所获得的CQDs/NiS/ZnIn2S4光催化剂,NiS/CQDs/ZnIn2S4显示出更优越的光催化产氢活性.TEM观测发现,在NiS/CQDs/ZnIn2S4中CQDs与ZnIn2S4和NiS均有明显的接触,表明CQDs作为“桥梁”连接了ZnIn2S4和NiS,这种结构有利于光生电子由ZnIn2S4至NiS定向传输.而CQDs/NiS/ZnIn2S4光催化剂中的CQDs和NiS没有直接接触.电化学交流阻抗实验发现,NiS/CQDs/ZnIn2S4中电子的传导能力比CQDs/NiS/ZnIn2S4中的强,说明相比于CQDs/NiS/ZnIn2S4,在NiS/CQDs/ZnIn2S4中的CQDs更有效地促进了光生电子由ZnIn2S4至NiS定向传输.该研究提供了一种以CQDs作为促进光生电子定向传输的“桥梁”来构筑高效产氢光催化体系的方法.