CuS/ZnS纳米材料的调控合成及其光催化性能研究

【摘要】如何解决能源短缺和环境污染问题是当今世界面临的巨大挑战。光解水制氢是解决能源短缺的一种潜在有效手段，因为光解水制氢只需要太阳光，催化剂和水。半导体ZnS在光激发下快速产生电子-空穴对且产生的光电子还原电位很低可以用于分解水制氢，因此受到了研究者的关注。但是ZnS的禁带较宽，只在紫外光照射下才具有催化活性，故需要对其修饰使其在可见光下也具有良好的催化性能。本文通过窄禁带CuS与不同形貌的ZnS复合，得到CuS/ZnS复合光催化剂，在没有贵金属共催化剂存在下，CuS/ZnS复合光催化剂也具有很高的催化活性，可见光照射下(λ≥400nm)能快速分解含0.35MNa2S和0.25MNa2SO3的水溶液制取氢气。而且循环实验表明CuS/ZnS复合光催化剂具有很好的稳定性。作为一种重要的酸性氧化物，W18O49因为独特的结构缺陷和稳定的物理化学特性，成功用于探测器和红外光吸收剂等，也是潜在的新型吸附材料。全文包括以下四方面的研究内容：1.利用ZnCl2和硫粉在体积比为1:2的乙二胺和乙醇混合溶剂中的溶剂热反应得到球状ZnS，并以其为前驱体在80C的水浴中与Cu(NO3)2溶液发生离子交换反应得到直径为200-400nm的球状CuS/ZnS复合光催化剂。HRTEM显示直径<10nm的CuS纳米粒子沉积在ZnS球表面。在可见光照射下，球状CuS/ZnS复合光催化剂能快速分解水制氢。CuS含量为0.49%的CuS/ZnS复合球的光催化性能最优，产氢速率达695.7μmolh-1g-1，是CuS和ZnS机械混合物的7倍。我们初步判断光催化性能的提高源于CuS/ZnS的异质结构引起的界面电子迁移。2.以ZnCl2为锌源，S粉为硫源，在体积比为1:1的乙二胺-乙醇溶剂中通过溶剂热反应得到六方片状ZnS(NH2CH2CH2NH2)0.5前驱体，该前驱体进一步和Cu(NO3)2溶液的水热反应得到六方片状CuS/ZnS复合光催化剂。当CuS的含量为6.06mol%时，CuS/ZnS复合光催化剂的催化活性最高，产氢速率达1233.5μmolh-1g-1。3.以醋酸锌和硫脲为原料，通过在乙二胺水溶液中的水热反应合成了多层花状ZnS(NH2CH2CH2NH2)0.5前驱体，通过前驱体和Cu(NO3)2溶液的离子交换反应得到多孔纳米片组成的多层花状CuS/ZnS复合光催化剂。CuS含量为3.9mol%的CuS/ZnS复合光催化剂，产氢速率最快，达1206.2μmolh-1g-1。循环实验表明CuS/ZnS复合光催化剂稳定性良好。我们对可见光催化机理进行了初步探讨，认为纳米片组成的多层结构和界面电子迁移的共同作用提高了光催化活性。4.利用WCl6在三甘醇中的溶剂热反应合成海胆状W18O49。海胆状W18O49的高比表面积和表面的氧缺位有利于有机染料的吸附。海胆状W18O49及其300C煅烧产物对亚甲基蓝和罗丹明B的吸附动力学符合准二级吸附动力学。我们采用内扩散模型研究了海胆状W18O49及其300C煅烧产物对亚甲基蓝和罗丹明B的吸附机理，发现吸附过程由表面吸附和粒子内扩散控制。我们的产品在有机染料废水处理领域具有潜在的应用前景。
【作者】肖亮；
【导师】黄建花；
【作者基本信息】浙江理工大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】ZnS；CuS/ZnS复合光催化剂；光催化分解水制氢；表面电子迁移；W18O49；吸附；

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