CdS及其复合光催化剂的制备、表征与光催化性能研究

摘要

在光电化学领域，半导体材料由于自身特有物理和化学特性，在化工材料、微电子和环境污染控制等诸多领域都得到广泛的应用，其中特别是构建具有较强的可见光响应复合光催化剂在环境中水体污染处理领域，半导体光催化剂应用受到广泛的关注。在光催化降解水体污染物和光解水制氢的领域中，以硫化镉(CdS)为代表一类具有较强的可见光响应光催化材料研究居多。但是，由于CdS极易光腐蚀，光稳定性差，太阳光利用率极低，这些不足极大地限制了它们性能的发挥。针对CdS自身出现的诸多缺陷，采用新型的物理和化学手段对CdS进行有目的的改性，以达到提高其稳定性及光催化性能目的显得尤为重要。本文主要进行了设计构造独特结构的CdS纳米材料，研究其催化构效关系及介质影响因子;设计构建ZnWO4-CdS复合异质结构光催化剂，并深入研究ZnWO4，CdS及异质结构对光催化降解过程的影响;以石墨烯材料为载体，构建CdS/ZnS负载型复合光催化体系，研究载体的构建行为机理;通过设计多相复合半导体材料，研究复合半导体对CdS负载型复合物光催化剂结构及光催化降解行为的影响。
　　(1)通过水热法合成了菜花状CdS微球光催化剂，通过红外光谱分析，拉曼光谱分析，SEM和TEM等一系列表征手段测试CdS微球的物理和化学性质。以盐酸土霉素为降解目标物进行光催化实验，来评价光催化剂的光催化性能。实验结果表明，CdS微球所具有菜花状结构提高了CdS自身的比表面积;CdS菜花状微球在光催化降解实验中，表现出比其他常见的可见光催化剂更好的光催化效果，其在可见光照射下，0.1g CdS菜花状微球光催化剂60min内对盐酸土霉素的降解率可到70％以上。
　　(2)通过水热反应的方法合成了ZnWO4-CdS复合光催化剂，采用X射线衍射分析、SEM、TEM和拉曼光谱等技术手段对复合光催化剂进行物理和化学性质测试。在可见光照射下，通过光催化降解环丙沙星对复合催化剂进行光催化性能测试。结果表明，当ZnWO4/CdS的复合比例为1∶1时，光催化效果最好，其对环丙沙星的降解效率达到85％。实验结果说明，复合ZnWO4之后，CdS自身的光腐蚀性得到抑制，光降解过程中的稳定性也有所增强，从而光催化效率最终也得到提高。
　　(3)以氧化石墨烯(GO)为载体材料，通过一步水热反应的法制得了RGO-CdS/ZnS复合材料光催化剂。其中，复合材料的合成过程伴随着GO的还原过程同时发生。采用XRD、TEM、Raman等先进技术手段对复合光催化剂进行物理和化学性质测试。通过光催化降解四环素实验对材料进行了光催化性能评价，实验结果表明，RGO-CdS/ZnS光催化性能较好，经过复合之后，CdS和ZnS自身的光腐蚀性、不稳定性得到明显改善，对四环素的降解效率达到了88％。
　　(4)通过水热和水浴反应结合的方法，合成了N-ZnO/CdS负载RGO复合光催化剂。通过各种表征手段分析复合光催化剂的物理和化学性质，分析证明了复合光催化剂中N-ZnO，CdS和RGO在光催化反应中的物理和化学组成机制。结果表明，光催化效率的提升不仅仅是由于N-ZnO，CdS之间的异质结构的形成，RGO良好的电子传输特性和N-ZnO中过渡价带的形成都起到了至关重要的作用。同时，我们通过光催化降解环丙沙星来进行光催化活性实验，结果表明复合光催化剂在可见光照射条件下，对环丙沙星的降解效率在60min钟内达到了89％以上。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 光催化原理

1．2．1 半导体光催化剂光催化原理

1．2．2 复合半导体光催化剂的光催化原理

1．3 半导体光催化剂光催化活性的影响因素

1．3．1 晶型结构

1．3．2 光源和光照强度

1．3．3 光催化剂表面结构和结晶度的影响

1．3．4 能带位置和结构的影响

1．3．5 溶液环境的影响

1．3．6 其他因素的影响

1．4 CdS半导体材料及其复合CdS光催化剂的研究现状

1．4．1 金属硫化物介绍

1．4．2 CdS及复合光催化研究现状

1．5 本课题的研究内容及意义

1．5．1 本课题的研究意义

1．5．2 研究内容

第二章 菜花状CdS微球光催化剂制备与光催化降解盐酸土霉素性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料和试剂

2．2．2 材料制备

2．2．3 材科的表征与测试

2．2．4 光催化活性实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 晶型结构分析

2．3．2 形貌和组分分析

2．3．3 拉曼光谱分析

2．3．4 紫外可见吸收光谱分析

2．3．5 热稳定性分析

2．4 结果与讨论

2．4．1 光催化性能评价

本章小结

第三章 ZnWO4-CdS复合光催化剂的合成与降解环丙沙星性能研究

3．1 引言

3．2 原料和试剂

3．3 催化剂的制备

3．4 催化剂的性能表征与测试

3．4．1 光催化剂表征

3．4．2 光催化活性实验

3．5 结果与讨论

3．5．1 晶型结构分析

3．5．2 形貌和组分分析

3．5．3 紫外可见吸收光谱分析

3．5．4 拉曼光谱测试

3．5．5 荧光性质分析

3．5．6 光催化剂性能测试

本章小结

第四章 RGO-CdS／ZnS复合光催化剂的合成与光催化降解四环素性能研究

4．1 引言

4．2 原料和试剂

4．3．催化剂的制备

4．3．1 氧化石墨烯(Go)的制备

4．3．2 RGO-CdS／ZnS复合光催化剂的制备

4．4 催化剂的表征与性能测试

4．4．1 催化剂的表征

4．4．2 催化剂的活性实验

4．5 结果与讨论

4．5．1 晶型结构分析

4．5．2 拉曼光谱分析

4．5．3 红外光谱分析

4．5．4 形貌和组分分析

4．5．5 比表面积分析

4．5．6 元素组成状态分析

4．5．7 紫外可见吸收光谱分析

4．5．8 热稳定性分析

4．5．9 光催化性能测试

本章小结

第五章 N-ZnO／CdS负载氧化还原石墨烯复合光催化剂的合成及光催化降解环丙沙星应用研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 材料和试剂

5．2．2 催化剂的制备

5．3 催化剂的表征与性能测试

5．3．1 催化剂的表征

5．3．2 光催化活性实验

5．4 实验结果与讨论

5．4．1 形貌和组分分析

5．4．2 晶型结构分析

5．4．3 拉曼光谱分析

5．4．4 元素组成状态分析

5．4．5 紫外可见吸收光谱分析

5．4．6 热稳定性测试

5．4．7 红外光谱分析

5．4．8 光催化性能测试

5．4．9 光催化机理研究

本章小结

第六章 结论、创新点及进一步工作建议

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 进一步工作建议

参考文献

攻读学位期间的主要科研成果

中英文符号与缩写对照表