g-C3N4/CdS异质结的制备及其产氢性能的研究

摘要

有效地利用太阳能光解水制氢，是获取氢能的最理想途径之一，也是解决人类社会面临的能源和环境问题的重要手段。光催化制氢最重要的工作就是半导体光催化剂的筛选。在众多已经开发的光催化剂中，CdS因其合适的禁带宽度（2.4eV）和带边位置使之成为极具潜力的可见光响应光催化剂。遗憾的是，CdS的缺点比较明显，它的光生电子-空穴复合很快，而且光腐蚀现象也很严重，这些问题都限制了它的广泛应用。因此，提升CdS电子-空穴分离效率和稳定性是拓宽其应用范围的关键。本论文通过对CdS酸处理改性，制备出表面富硫、活性高、稳定性增强的CdS及其复合光催化剂，并对其结构组成进行表征和光催化产氢活性测试，主要研究内容如下： 1）以Cd(NO3)2和Na2S为前驱体，通过简单的沉淀法，在制备过程中加入不同浓度的强酸制备高活性、稳定性的CdS。借助XRD、XPS、SEM、TEM、BET、UV-Vis、PL和ICP对酸处理CdS的结构形貌，理化特性和光学性质进行表征，表征结果显示：经过酸处理后CdS由六方相转变成立方相，粒径变小，比表面积增大，且CdS表面富硫进而形成了α-S/CdS异质结光催化剂。 2）基于CdS和g-C3N4相匹配的能带位置，通过浓HNO3同时处理CdS和g-C3N4构建高活性、高稳定性的g-C3N4/CdS异质结光催化剂。借助XRD、XPS、SEM、TEM、UV-Vis和PL对g-C3N4/CdS的结构形貌，理化特性和光学性质进行表征，结果表明：CdS呈纳米球状，质子化g-C3N4呈纳米片状，两者复合异质结的形成极大地增加了光生电子空穴的分离效率，提高了光催化活性和稳定性。 3）分别对酸处理CdS和g-C3N4/CdS异质结进行光催化产氢活性测试和光电化学测试，结果表明：在可见光（λ>420nm）的条件下，0.144mol/L HNO3处理CdS的平均产氢速率为1.79mmol.g-1.h-1,是未经酸处理CdS的12.8倍，同时在经过60小时的循环实验依然保持很高的产氢活性。20%g-C3N4/CdS的产氢速率为3.21mmol.g-1.h-1，其为纯CdS产氢速率的2.57倍，g-C3N4的27.67倍。g-C3N4/CdS异质结的形成加快了电子-空穴的分离使得其光催化产氢能力增强。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2光催化分解水制氢简介

1.2.1光催化分解水基本原理

1.2.2. 光催化分解水基本过程

1.2.3决定光催化分解水制氢的因素

1.3 CdS光催化分解水制氢研究进展

1.3.1 CdS的制备

1.3.2 CdS的改性

1.3.3 α-S元素半导体研究进展

1.4 g-C3N4光催化分解水制氢研究进展

1.4.1 g-C3N4的制备

1.4.2 g-C3N4的剥离

1.5本文的选题意义及主要内容

第二章 实验试剂与仪器

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3 催化剂的形貌结构表征

2.3.1 X射线衍射仪（XRD）

2.3.2 场发射扫描电镜（SEM）

2.3.3 场发射透射电镜（TEM）

2.3.4 紫外-可见漫反射（UV-Vis DRS）

2.3.5比表面微空隙分析仪（BET）

2.3.6 X射线光电子能谱分析仪(XPS)

2.3.7 电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）

2.3.8荧光光谱分析仪（PL）

2.4光催化分解水产氢性能测试平台

2.5 光电化学性能测试

2.5.1 光电化学测试平台

2.5.2 薄膜电极的制备

第三章 酸改性CdS的制备、表征及光催化活性稳定性研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 酸处理CdS的制备

3.2.2光催化产氢活性测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 XRD分析

3.3.2 XPS分析

3.3.3 ICP分析

3.3.4 SEM和TEM分析

3.3.5 BET分析

3.3.6 UV-visDRS分析

3.3.6 PL分析

3.3.7 光催化产氢活性测试

3.3.8 酸处理CdS的光催化稳定性探究

3.3.9 高性能CdS活性和稳定性的机理研究

3.4 本章小结

第四章 g-C3N4/CdS异质结的制备、表征及其光产氢活性的研究

4.1 引言

4.2实验部分

4.2.1 g-C3N4/CdS异质结的制备

4.2.2 光催化产氢活性测试

4.2.3 g-C3N4/CdS异质结光电化学测试

4.3结果与讨论

4.3.1 XRD分析

4.3.2 XPS分析

4.3.3 SEM和TEM分析

4.3.4 BET分析

4.3.5 UV-vis分析

4.3.6 PL分析

4.3.7光催化产氢活性测试

4.3.8 g-C3N4/CdS稳定性的讨论

4.3.9 g-C3N4/CdS光催化产氢的机理分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

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