氧化锌/硫化锌基复合光催化剂的制备及产氢性能研究

【摘要】：工业的快速发展和化石燃料的过度使用导致了能源危机和环境污染。光催化分解水制氢是缓解能源和环境危机的有效途径之一。作为光催化产氢的光催化剂,ZnO因电子迁移率高和独特的能带结构,受到了研究者们广泛的关注。然而,纯ZnO存在太阳光利用率低和光生载流子复合率高的问题,限制了其在光催化产氢中的发展。基于上述问题,本文以ZnO为主要研究对象,通过不同实验方法构建异质结,提供多路径载流子的转移,提高ZnO的光催化活性。重点研究了复合光催化剂的结构、光吸收能力和光催化活性,分析了光生载流子的传输路径,探讨了光催化性能增强的机制。具体内容如下:(1)采用固态热分解法制备了直径约为45 nm的ZnO纳米线,通过对ZnO纳米线进行两步硫化得到了新型核壳纳米线光催化剂ZnO/ZnS-X。光催化产氢实验结果表明,与纯ZnO相比,ZnO/ZnS-0.08的光催化制氢速率提高了近680倍(0.9522 mmol/h/g)。析氢性能显著提高归功于ZnO/ZnS-0.08的Ⅱ型异质结构,实现e-与h+的高效转移。(2)通过水热法在ZnO/ZnS-X核壳纳米线上负载不同质量的SnS2,成功制备了不含任何贵金属光催化剂ZnO/ZnS-SnS2。用XRD、SEM、HRTEM和XPS等技术对复合材料ZnO/ZnS-SnS2进行了表征,结果证实了SnS2微米球与ZnO/ZnS-0.08核壳纳米线之间形成了异质结。实验结果表明,20%ZnO/ZnS-SnS2表现出优异的光催化性能,其析氢速率为2.1799 mmol/g/h。20%ZnO/ZnS-SnS2的产氢速率约是ZnO/ZnS-0.08的2.29倍。这种显著提升的性能可归因于Ⅱ型异质结和三元异质结的构建,多种载流子转移路径的提供使得e-在ZnO、SnS2中的有效聚集,h+在SnS2中聚集,达到了分离光生载流子的目的。(3)在固态热分解法和阳离子交换法的基础上,负载MoS2合成了新型半导体光催化剂ZnO/ZnS-MoS2。实验结果表明,10%ZnO/ZnS-MoS2表现出优异的光催化性能(4.411 mmol/g/h),其产氢速率远高于纯ZnO(0.00140 mmol/g/h)和ZnO/ZnS-0.08(0.9522 mmol/h/g)。复合光催化剂10%ZnO/ZnS-MoS_2产氢性能的增强一方面归因于MoS2拥有较小的禁带宽度,有效地延长复合光催化剂对太阳光的响应。另一方面,ZnO/ZnS-MoS2中构建了两种接触界面,两种接触面分别对应Ⅱ型异质结和三元异质结,两种类型异质结的形成有效地促进光生载流子的分离。