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配位转化法制备纳米MS(M=Cd,Zn)原理、动力学及其光催化CO_2还原性能

刘引烽  
【摘要】:光合作用是自然界对二氧化碳实现光还原反应的杰作。如何利用光催化剂对二氧化碳实现还原是目前催化研究领域的重要课题,也是向自然学习、模拟生物过程的重要课题。它将废弃的二氧化碳资源加以利用,减少其对环境的污染,减轻温室效应,同时充分运用太阳能能源,是实现自然生态循环、保护环境的有效途径。纳米半导体显著的量子尺寸效应,使其具有较强的光催化活性:而通过调节纳米晶粒尺寸可以改变其光学响应,从而提高太阳能利用率,因此已成为光催化领域的研究热点。本文以此为背景,综合分析了该领域的研究与发展,运用本课题组首先提出的配位转化法制备了纳米光催化剂MS(M=Cd,Zn),并对二氧化碳进行光催化还原反应,系统地研究了配位转化法制备纳米MS的原理和动力学、纳米MS的结构与制备条件间的关系、以及二氧化碳光催化还原反应机理及其影响因素等。 本文选择甲壳胺、聚乙烯醇、聚氧乙烯和聚丙烯腈共聚物等极性聚合物作为配位体,与金属离子M~(2+)(M=Cd,Zn)进行配位,并引入Na_2S溶液作为硫源,采用配化转化方法制备了不同聚合物基体保护的纳米硫化物MS(M=Cd,Zn)。对配位转化法原理、制备动力学、纳米微粒的结构和尺寸研究证明,配位转化法对于制备含有过渡金属元素化合物纳米材料具有普适性。采用间接显色方法跟踪测定了溶液中硫离子浓度的变化,率先研究了制备过程动力学。根据Fick扩散定率,基于非恒源及存在化学反应的扩散过程,提出了硫离子在配合物膜中的扩散模型,建立了其动力学方程,并进行模拟计算,模拟曲线与实验结果相当吻合,由此估算出在PVA/Zn~(2+)配合物膜中硫离子的扩散系数D为9.92×10~(-6)cm~2/s;配合物转化反应的速率常数k为16.1mol/Ls,反应活化能△E=61.7KJ/mol。根据动力学研究结果,首次提出可以由配位比对纳米硫化物微粒尺寸进行预测,在亚浓溶液中制备纳米ZnS微粒时,其品粒尺寸与聚合物的聚合度成正比,而与配位比成反比。预测的结果与实际测定值相符。


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