基于水凝胶和硫化镉的复合材料在光催化产氢中的应用

摘要

由于化石燃料的不可再生性以及化石燃料燃烧造成的环境污染不断增加，氢作为清洁能源被广泛研究。氢气具有环保，可再生和无毒的反应产物以及高能量密度等优点。在众多的光产氢催化剂中，CdS具有窄带隙（2.4eV），能更有效地吸收可见光并且导带边缘比H+/H2氧化还原电位更负，因此被认为是一种优秀的可见光驱动催化剂。本文研究水凝胶作为负载CdS的基质提高其光催化活性和稳定性。 原位负载CdS纳米粒子合成了硫化镉/聚丙烯酰胺水凝胶（CdS/PAM），并首次用于水的光催化分解。负载的CdS纳米粒子的尺寸分布是3-12nm。研究了与纯CdS相比CdS/PAM的增强光催化活性和光腐蚀抑制作用，并探讨了相应的机理。特别是，在0.003M的CdCl2溶液中制备的CdS/PAM显示出最高的氢生产效率为2.929mmol g-1h-1，约为纯CdS的79倍。结果表明，新的N-Cd键的形成和CdS/PAM的高透光率显著提高了光催化活性。氮原子的电子云可以吸引空穴并排斥光生电子，从而降低载流子复合几率。结果还表明，水凝胶的优异亲水性在抑制光腐蚀中起着重要作用。 控制单体DM、AA与AM的比例，调节引发剂浓度及环境温度分别合成阳离子水凝胶（DAM）及阴离子水凝胶（AAM）。通过溶胀性测试、扫描电镜（SEM）及红外光谱（FTIR）等手段对水凝胶进行形貌和成分分析。采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）及热重分析（TGA）对复合材料的成分进行表征。密闭环境下的光催化实验表明，阳离子水凝胶对CdS具有提高光催化活性和稳定性的作用。其中样品DAM2-CdS的产氢效率最高达到10.35mmol h-1g-1，TOF=1.495h-1，并且经过5次光照循环后产氢效率仅仅降低12.7%。采用不同的给电子体作为牺牲剂后发现，牺牲剂的pH及氧化还原电位也是影响催化剂产氢活性的重要因素。

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 水资源污染与净化

1.2.1 水环境污染

1.2.2 光催化降解

1.2.3 光降解原理

1.2.4 影响光降解的因素

1.3 能源危机

1.3.1 光催化产氢原理

1.3.2 影响光产氢性能的因素

1.3.3 光催化评价

1.3.4 光产氢催化剂研究进展

1.4 硫化镉材料简介

1.4.1 硫化镉晶体结构

1.4.2 硫化镉应用

1.4.3硫化镉光催化特性

1.5 硫化镉改性研究

1.5.1 形态结构优化

1.5.2 能带结构优化

1.5.3 无机材料负载

1.5.4 有机材料负载

1.6 水凝胶简介

1.6.1 水凝胶特点

1.6.2 水凝胶应用

1.6.3 水凝胶分类

1.7 论文研究思路和研究内容

第2章 聚丙烯酰胺水凝胶作为模板原位合成CdS

2.1 实验部分

2.1.1 实验原料与试剂

2.1.2 实验仪器与设备

2.1.3 水凝胶制备

2.2 实验表征

2.2.1 透光率和紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱

2.2.2 溶胀性测试

2.2.3 X射线衍射分析

2.2.4 透射电子显微镜

2.2.5 扫描电子显微镜

2.2.6 X射线光电子能谱分析

2.2.7 电感耦合等离子体（ICP）光谱分析

2.2.8 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）

2.2.9 BET （布鲁诺 - 埃米特 - 特勒）

2.2.10 光催化产氢测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 PAM和CdS/PAM的合成与表征

2.3.2 CdS/PAM的光催化分析

2.4 本章小结

第3章 离子特性水凝胶对CdS光催化产氢的影响

3.1 实验部分

3.1.1 实验原料与试剂

3.1.2 实验仪器与设备

3.1.3 水凝胶制备

3.2 实验表征

3.2.1 UV-vis漫反射光谱

3.2.2 溶胀性测试

3.2.3 X射线衍射分析

3.2.4 透射电子显微镜

3.2.5 扫描电子显微镜

3.2.6 X射线光电子能谱分析

3.2.7 电感耦合等离子体（ICP）光谱分析

3.2.8 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）

3.2.9 BET （布鲁诺 - 埃米特 - 特勒）

3.2.10 热重（TGA）测试

3.2.11 光催化产氢测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 水凝胶和CdS/水凝胶的合成与表征

3.3.2 CdS/水凝胶的光催化分析

3.4 本章小结

第四章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢