二硫化钼复合催化剂的制备及其光电析氢性能研究

【摘要】：随着环境污染日益严重,能源危机日益加剧,人们意识到可发绿色可持续的能源,构建新型可再生能源体系的重要性。氢气作为一种清洁可再生能源,进入人们视界,其简单、高效的制备方法国内外学者的研究热点。其中,光电析氢反应,因其反应操作简单,生产效率高效,成为制氢的一种重要途径。在光电析氢反应中,催化剂是重要的一部分,然而现在的光电析氢催化剂因其光电转化效率低,反应活性低等问题,制约了光电析氢产业的发展。因此,开发一种高反应活性,高光利用率,低成本的光电析氢催化剂成为了研究的热点。二硫化钼催化剂因此特殊的结构片层,合适的带隙,是一种有望替代Pt基催化剂的二维非贵金属阴极催化剂,但是其仍存可见光利用率低,载流子复合率高,活性位点少等问题。本文为克服二硫化钼存在的问题,对二硫化钼的制备方法进行了探究,并根据不同方法设计了两种二硫化钼复合体系,并对其光电性能经行了深入的研究。本文的研究内容如下:通过恒电位沉积的方法,成功将二硫化钼薄膜包裹在纳米氧化锌阵列之上形成了 ZnO@MoS2核壳纳米阵列。提高电子与空穴的分离效率,扩大了其光吸收范围和光吸收量,大大提高了 ZnO@MoS2光吸收性能和光电感应性能,在0V偏压下,光感应电流达0.3076 mA cm-2。同时氧化锌和二硫化钼的复合大大提高了其电化学活性比表面积,达23.3 mF cm-2,反应活性位点增多,由于氧化锌的低电阻,高电导率,使其光电析氢性能得到了进一步的提高,明场条件下,10 mA cm-2电流密度情况时的过电位减小到330 mV。以钼酸铵为钼源,钨酸钠为钨源,L-半胱氨酸为硫源,采用一步微波水热法,在ITO玻璃上成功制得了二硫化钼/二硫化钨复合纳米片。通过HRTEM、XPS等深入分析了二硫化钼/二硫化钨纳米片的结构组成,发现有少许1T-MoS2相生成,这大大提高了二硫化钼/二硫化钨纳米片的活性位点数量。此外二硫化钨的引入,且均匀分散在二硫化钼之中,与二硫化钼形成异质结,这有利于加快载流子的传输,从而提高二硫化钼/二硫化钨的光电析氢活性。在上一步的基础上,采用电沉积-微波水热的方法制备硫化铋纳米棒,形成二硫化钼/二硫化钨/硫化铋三元复合体系。又对引入的硫化铋与二硫化钼/二硫化钨纳米片的生长顺序对性能的影响进行详细分析,认为当硫化铋位于底层时,由于硫化铋纳米棒层导电性不佳,反而会抑制催化剂的析氢性能。当硫化铋位于上层时,其均匀分散在二硫化钼/二硫化钨纳米片之间,能加速载流子的传递,能降低光生电子和空穴的复合率,使光电析氢性能有明显的提高,明场条件下,10 mA cm-2电流密度情况时的过电位减小到285 mV,电催化析氢性能明显提高。