溶剂热合成ZnIn2S4及其可见光催化性能研究

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环境污染与能源短缺已经成为目前人类亟待解决的两大问题。因此,科研人员的一个重要目标就是开发一种高效能技术,用于取代那些对环境有害的耗能过程。将利用太阳能的光催化技术应用到有机化学的选择性氧化领域极大地满足了人类节约能源和减少环境污染的需求,该技术不仅反应所需要的条件温和,也避免了一些有毒性或腐蚀性强氧化剂的使用。光催化反应效率高且节能环保的优点为有机合成中某些醛酮类化合物的合成提供了一种便捷途径。本文采用溶剂热法制备了特殊形貌的六方晶相ZnIn2S4、碳掺杂ZnIn2S4和立方晶相ZnIn2S4等化合物。利用X射线粉末衍射(XRD)、氮气吸附脱附、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等对催化剂的理化性质及微观形貌进行了细致的表征。以苯甲醇选择性氧化为苯甲醛为探针反应考察系列样品的可见光催化性能,利用液相色谱检测反应前后产物的浓度,计算苯甲醇的转化率、苯甲醛的产率及选择性。采用电子自旋共振技术(ESR)、荧光光谱(PL)、电化学和多种自由基捕获剂等技术检测催化降解过程中产生的活性物种,初步探讨了该条件下催化剂的构-效关系,在此基础上对催化剂的可见光催化反应机理进行了讨论。研究中取得的主要成果如下:(1)可见光条件下,用乙醇溶剂160℃/24h制备的六方晶相Z ZnIn2S4的催化活性远高于水溶剂制备的样品;(2)实验参数如样品制备时间、温度、溶剂和硫源等对催化剂的物化性质及活性产生了较大影响;(3)以葡萄糖作为前驱盐合成的碳掺杂ZdIn2S4复合材料能够有效的提高ZnIn2S4的光催化活性;(4)对水热法120℃/10h合成的立方晶相2ZnIn2S4进行18小时后处理样品的光催化活性最好。(5)通过添加捕获剂和ESR等技术证明了在选择性氧化过程中起主要作用的活性物种为超氧自由基(·O2-),并初步提出了光催化反应机理;(6)实验证明ZnIn2S4具有良好的光催化稳定性。ZnIn2S4对其它一些芳香醇的选择性氧化也表现出较好的活性。本文的创新之处:(1)首次将溶剂热/水热法合成的具有特定形貌的六方晶相ZnIn2S4、碳掺杂ZnIn2S4和立方晶ZnIn2S4等一系列化合物用于苯甲醇的选择性氧化,拓展了ZnIn2S4在光催化领域的应用;(2)通过活性物种等检测技术提出了苯甲醇在ZnIn2S4的催化作用下的光催化选择性氧化机理。
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