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水滑石基半导体复合材料的制备及其光催化性能研究

徐新  
【摘要】:半导体光催化剂由于其在环境清洁及太阳能转换领域潜在的工业应用价值受到越来越广泛的关注。由于传统的CdS光催化剂存在着量子效率低且易发生光腐蚀现象,改性CdS或开发固溶体光催化材料成为光催化领域的研究热点之一。通过器件化实现光催化剂的连续操作和简易回收是近年来的另一研究热点。为此,本论文围绕可见光响应硫化物半导体光催化材料的可控制备、器件化及光催化性能表征展开基础研究。针对目前该研究领域中的关键科学问题,采用层状双羟基复合金属氢氧化物(layered double hydroxides,简称LDHs)材料为前驱体,经原位气固硫化制得系列硫化物半导体光催化材料。通过调变LDHs前驱体的组成及对相关硫化过程控制,实现了硫化物固溶体光催化材料组成、形貌、结构的可控制备。同时,将溶剂蒸发和原位硫化相结合,构筑了CdS/LDHs透明薄膜,并对硫化物固溶体及CdS/LDHs薄膜光降解亚甲基蓝的性能展开研究。本研究工作有望为硫化物半导体光催化剂在组成调控、结构设计、光催化性能提高等方面的深入研究奠定一定的实验基础。 本文的创新点和研究结果如下: 1.针对传统的CdS光催化剂存在着量子效率低且易发生光腐蚀这一关键科学问题,根据LDHs层板金属元素处于原子级均匀分散的特点,以ZnCdAl-LDHs为前驱体,通过原位硫化的方法制备了不同组成的一系列ZnxCd1-xS固溶体。制备得到的ZnxCd1-xS固溶体纳米粒子均匀分布在无定形氧化铝基质中形成纳米阵列结构,Zn0.20Cd0.80S纳米粒子粒径均匀,尺寸约为3.0-4.0 nm。通过调变前体LDHs中Zn/Cd摩尔比,可实现对该材料带隙的调控。在可见光下可降解亚甲基蓝,光催化活性随Zn摩尔含量的下降而显著提高,当x=0.2时,光催化活性达到最大值。 2.以ZnxCd1-xS纳米粒子为前体,采用强碱溶蚀的方法将体系中的无定形氧化铝选择性去除,得到一系列带隙可调、具有超疏水性能的介孔ZnxCd1-xS固溶体光催化材料。研究证实,选择性溶蚀后介孔ZnxCd1-xS固溶体仍保持原有的元素组成、形貌及晶体结构,其比表面积和孔径均有所增加。去除氧化铝后,材料的带隙降低,在可见光下光催化降解亚甲基蓝的性能进一步提高。 3.结合LDHs材料层板金属元素可调以及LDHs薄膜可控制备的特点,以ZnFe-SO42--LDH为前驱体,经溶剂蒸发、原位气固相硫化制备了六方型Zn1-xFexS纳米复合薄膜,实现了LDHs向硫化物半导体的拓扑转变。研究Zn1-xFexS纳米复合薄膜的形貌及界面微结构,探讨了不同元素组成与其光吸收性质的关系,为制备硫化物半导体复合薄膜提供新方法。 4.基于LDHs材料层间阴离子可交换的重要特点,以MgAl-LDHs为模板,结合离子交换、溶剂蒸发及原位硫化的方法制备了CdS插层LDHs纳米透明薄膜。由于LDHs层板的二维限域作用,层间高分散的CdS纳米粒子,均匀分布在LDHs阵列中。通过调变硫化反应时间可实现对CdS纳米粒子尺寸的调控。以光降解亚甲基蓝为探针反应研究其光催化性能,并探讨了影响该材料光催化活性的原因。


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