热氧化烧结条件对树枝状ZnFe_2O_4结构及光催化制氢性能的影响

通过电沉积和热氧化的方法制备了树枝状结构ZnFe_2O_4,研究了热氧化烧结条件对结构和光催化性能的影响。利用SEM、XRD表征样品的形貌和组成,利用紫外可见漫反射分析样品的光吸收性能,利用光催化制氢测试评价样品的光催化性能。结果表明烧结温度升高,树枝状结构氧化物可进一步生长,但是温度过高,枝状结构发生断裂。烧结温度为200℃时,光催化产氢速率为43.5μmol/(h·g),烧结温度为350和450℃时,光催化产氢速率分别为70.5、75.5μmol/(h·g)。烧结气氛不仅影响样品的树枝状结构,并且高纯氮气条件下样品中既有ZnFe_2O_4又有Fe Zn8.87以及Zn O相,其光催化产氢速率明显低于空气气氛烧结得到的样品的光催化产氢速率。

集成二维层状CdS/WO_(3)S型异质结及金属化Ti_(3)C_(2)MXene基欧姆结高效光催化产氢

开发低成本的半导体光催化剂以实现可见光下高效、持久的光催化分解水产氢是一个非常具有挑战性的课题.近年来,具有高产氢活性的CdS光催化剂引起了人们的研究兴趣.但是光生电子-空穴对快速复合、反应活性位点不足以及严重的光腐蚀等问题,严重地制约了CdS在光催化领域的实际应用.构建S型异质结和负载助催化剂被认为是促进光生电子空穴分离和加速产氢动力学的有效策略.本文通过在低成本的WO_(3)和Ti_(3)C_(2)MXene(MX)纳米片上生长CdS纳米片,设计并构建了具有二维耦合界面的2D/2D/2D层状异质结光催化剂,以实现高效的可见光光催化分解水产氢.首先通过水热煅烧和刻蚀的方法分别制备了WO_(3)和MX纳米片,然后以乙酸镉和硫脲为原料在乙二胺溶剂中通过水热法合成了MX-CdS/WO_(3)层状异质结光催化剂.在可见光下,以乳酸为牺牲剂测试了光催化剂的产氢活性且经过4次连续的循环反应,MX-CdS/WO_(3)体系展现出良好的活性及稳定性.在可见光的照射下,MX-CdS/WO_(3)层状异质结光催化剂最高的可见光光催化分解水产氢速率达到了27.5 mmol/g/h,是纯CdS纳米片的11倍.与此同时,在450 nm的光照下,表观量子效率达到了12.0%.为了深入探讨其高效产氢机理,通过X射线衍射、X射线光电子能谱、原子力显微镜、透射电镜、高分辨电子显微镜等对MX-CdS/WO_(3)体系的组成和结构进行分析.结果表明,实验成功地合成了CdS,WO_(3)和MX三种纳米片及其复合材料.通过紫外-可见漫反射光谱研究了样品材料的光吸收能力.通过表面光电压、稳态及瞬态荧光光谱等研究了材料的电荷载流子复合和转移行为,发现MX-CdS/WO_(3)的光生电子空穴对相比与纯CdS或者二元复合材料具有更高的分离效率.UPS和ESR等表征结果说明,材料内部电场的方向和在光照条件下光生载流子的迁移方向,从而证实了S型异质结和欧姆结的成功构建.综上,在MX-CdS/WO_(3)光催化剂体系中,S型异质结形成较强的界面电场能够有效促进CdS纳米片与WO_(3)纳米片之间光生电子-空穴对的分离.同时,二维Ti_(3)C_(2)MXene纳米片作为辅助催化剂,通过与CdS/WO_(3)纳米片构建欧姆结,进而提供大量的电子转移途径和更多的析氢反应活性位点,使得CdS光催化剂的光催化活性和稳定性得到了很大的提升.通过构建S型内建电场、欧姆结和2D/2D界面可以协同提高CdS纳米片的光催化性能,从而加速光生电子在异质结中的分离和利用.本文所采用基于S型异质结与欧姆结基助催化剂之间的耦合策略可以作为一种通用策略扩展到其它传统半导体光催化剂的改性中,从而推进高效光催化产氢材料的有效合成.

石墨相氮化碳光催化剂研究进展

通过对石墨相氮化碳(g-C_3N_4)光催化剂修饰改性,以便控制光生电子-空穴对的复合,从而使得其光催化活性得到改善。非金属掺杂g-C_3N_4光催化剂能够拓展其光谱响应范围,从而提高了g-C_3N_4的量子效率;贵金属沉积修饰g-C_3N_4光催化剂,能够优化g-C_3N_4光催化剂表面电子结构、促进光生电子与空穴对的快速分离,改善催化剂表面化学吸附状态;通过半导体偶合,使得催化系统的载流子的分离效率得到改善,进而拓展了催化材料对光谱的吸收范围,提高了复合催化剂的光活性。阐述了近年来国内外非金属掺杂、贵金属沉积、半导体复合g-C_3N_4光催化剂在污水处理、光催化分解水产氢等领域中应用的研究进展,并提出在g-C_3N_4光催化剂修饰改性研究中存在的关键问题和以后努力的方向。