Na\Cu\In\Zn\S五元硫化物固溶体的制备及光解水制氢性能研究

摘要

由于环境和能源问题的日趋严重,寻找到一种清洁可再生的新能源已成为人类关注的焦点和重大战略。氢能作为一种可再生的清洁能源越来越受到人们的青睐,利用半导体光催化分解水制氢是获取氢能的有效手段之一。纳米ZnS因其价廉易得,且又具有半导体光催化剂的光电效应和纳米材料的量子效应而倍受关注。但由于ZnS的带隙为3.5eV,只能吸收太阳光谱中比例不足5％的紫外光。所以,本文的研究目的就是缩小ZnS的禁带宽度,使其光响应范围扩展到可见光区域,提高其光催化效率。
　　 本文以ZnS为主体,通过溶剂热法制备了一种新型高效的五元硫化物固溶体光催化剂Na2x(CuIn)xZn3(1-x)S3。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X-光电子能谱(XPS)及紫外-可见吸收光谱(UV-vis)等分析手段对所制备的催化剂进行了表征,考察了不同的制备条件对光催化剂晶型结构和性能的影响。通过光解水制氢实验,考察了化学计量比x值、溶剂热反应时间、牺牲剂浓度、光催化剂的用量和助催化剂Pt的含量等因素对光催化剂产氢性能的影响,同时根据光催化反应时间,考察了光催化剂的稳定性。
　　 结果表明:所制备的固溶体光催化剂Na2x(CuIn)xZn3(1-x)S3的晶型结构可随光催化剂的组分改变而变化。而Na、Cu、In等元素的掺入在一定程度上也抑制了固溶体光催化剂晶粒的增长。同时,光催化剂的禁带宽度亦可由光催化剂的组分来调控,使固溶体光催化剂的光响应范围扩展到可见光区。光解水制氢实验表明:当化学计量比x值为0.02、溶剂热反应时间为30h、牺牲剂Na2SO3和Na2S的浓度分别为0.35mol/L和0.25mol/L、光催化剂的用量为0.3g,并在未担载助催化剂Pt时,固溶体光催化剂Na0.04(CuIn)0.02Zn2.94S3的最高产氢速率为714.3μmol·h-1,较纯ZnS的产氢速率(11μmol·h-1)提高了65倍。若担载质量分数为0.4％的助催化剂Pt,其最高产氢速率可达到785.7μmol·h-1,较未担载Pt时光催化剂的产氢速率提高了10％。此外,光催化剂Na0.04(CuIn)0.02Zn2.94S3具有很好的稳定性,在光催化反应20h后,光催化剂未出现失活现象,且仍然具有较高的产氢性能。