Mg2+掺杂Zn0.5Cd0.5S固溶体光催化剂制备及光解水制氢研究

摘要

氢能作为高挥发、高能量的二次能源载体,在宇宙中广泛分布,H2O是H2储备的大“仓库”。在中国西部,太阳能丰富,利用太阳能光解水制氢,前景广阔。全球约3/4的面积被水占据,其中约96％的水分布在海洋中,淡水资源稀少。从应用角度考虑,能利用丰富的海水资源制氢,是有战略发展意义的。本文研究了Mg2+掺杂Cd0.5Zn0.5S固溶体光催化剂的合成及其光解水放氢性能,研究内容如下:
　　 一、Mg2+掺杂Cd0.5Zn0.5S光催化剂制各及放氢性能研究:
　　 采用水热法制备了Cd0.5Zn0.5S和Mg2+掺杂的Mg(m)/Cd0.5Zn0.5S固溶体光催化剂,原位载Pt,以葡萄糖为电子给体,考察了催化剂在可见光(λ＞420 nm)下的制氢活性。通过XRD,UV-Vis漫反射,比表面积,电化学分析,TEM分析,XPS分析,荧光光谱等手段对催化剂进行表征。实验结果表明,掺杂Mg2+后,Cd0.5Zn0.5S固溶体的可见光分解水制氢活性显著提高,Mg2+的最佳摩尔掺杂量为0.4%,在最佳掺杂条件下,Mg(0.4)/Cd0.5Zn0.5S比纯的Cd0.5Zn0.5S固溶体的制氢活性提高了80%;机理研究表明:Mg2+掺杂后,极大地提高了固溶体的光生电子和空穴的分离效率,延长了光生载流子的寿命,从而大大提高了催化剂的可见光分解水制氢活性。
　　 二、Mg2+掺杂Cd0.5Zn0.5S固溶体光催化盐水和海水制氢:
　　 以葡萄糖作电子给体,研究钠盐、钾盐、镁盐等电解质对固溶体制氢活性的影响,并研究其在海水体系的制氢性能。实验表明,电解质NaCl能显著地提高光催化剂的制氢活性,当CNaCl=2.0 mol L-1时,Mg(0.4)/Cd0.5Zn0.5S的光催化制氢活性比纯水体系提高了1.6倍;少量K+的加入,有助于提高催化剂的放氢活性,但K+浓度较高时,放氢活性变化不大;在镁盐体系中,当c(Mg2+)=0.02mol L-1时,放氢量比纯水体系提高了约1.4倍,继续增大Mg2+的浓度时,放氢量反而减少;并且发现,在钾盐和镁盐体系中,阴离子(如Cl-、Br-和SO42-)种类和浓度的改变,对催化剂的放氢活性影响不大。在海水体系中,Mg2+掺杂Cd0.5Zn0.5S固溶体光催化制氢活性要比纯水体系高且具备一定稳定性。