【摘 要】
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随着化石燃料的加快消耗与环境污染的日益严峻,推动清洁能源的使用越来越成为各国经济发展的重要引擎动力。氢气由于其燃烧值高、密度小、零排放等优势,确立了它在清洁能源大家庭中的“霸主地位”。光催化裂解水产氢是一种将太阳能转化为氢能的有效途径。制备高效率、稳定性强与低成本的光催化材料是光催化裂解水制氢的关键步骤。在众多的光催化剂中,六方晶系Zn In2S4(ZIS)具有可见光响应、可调的带隙(2.02-2
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随着化石燃料的加快消耗与环境污染的日益严峻,推动清洁能源的使用越来越成为各国经济发展的重要引擎动力。氢气由于其燃烧值高、密度小、零排放等优势,确立了它在清洁能源大家庭中的“霸主地位”。光催化裂解水产氢是一种将太阳能转化为氢能的有效途径。制备高效率、稳定性强与低成本的光催化材料是光催化裂解水制氢的关键步骤。在众多的光催化剂中,六方晶系Zn In2S4(ZIS)具有可见光响应、可调的带隙(2.02-2.59 e V)、制备成本低、环境友好等特点,因而成为具有前景性的光催化材料。然而,狭窄的可见光吸收范围和较快的光生电子与空穴的复合速率导致ZIS光催化产氢效率极其低。因此,通过有效的改性策略来拓宽可见光吸收范围、抑制电子空穴对复合对提升ZIS光催化产氢具有极其重要的研究意义。本论文主要从以下两个方面来探究ZIS的改性:(1)同时引入硫空位与镍掺杂来增强ZIS超薄纳米片光催化性能:本文采用一步水热的方法合成具有硫空位与镍掺杂的ZIS超薄纳米片,通过光电子能谱与电子顺磁共振波谱证实了ZIS超薄纳米片的硫空位的存在。ICP、EDS元素分布图及X射线衍射图证明了镍离子成功地掺入ZIS超薄纳米片中。莫特-肖特基曲线、X射线价带谱和Tauc’s带隙图分析得到的能带结构与费米能级位置说明了硫空位使导带位置上移与镍掺杂的引入使费米能级提高,有助于导带上的电子具有更高的还原能力,获得更多的光生电子。光电流、稳态荧光、荧光寿命和阻抗测试结果表明了硫空位与镍掺杂能够协同提升载流子分离、抑制载流子复合、增加电子传输寿命以及减小电子运输阻力。镍掺杂富含硫空位ZIS超薄纳米片在可见光下用三乙醇胺作为牺牲剂时,产氢速率达到8.91 mmol g-1 h-1,分别是贫含硫空位ZIS超薄纳米片和富含硫空位ZIS超薄纳米片产氢速率的4.5和2.5倍。(2)构筑Co9S8@ZIS纳米片异质结复合材料提高光催化性能:本文利用水热法合成Co(CO3)0.35Cl0.20(OH)1.10纳米针,探究升温速率对纳米针均匀性的影响。用Na2S对Co(CO3)0.35Cl0.20(OH)1.10纳米针进行硫化得到Co9S8纳米管,并探究在完全硫化的情况下,Na2S浓度对纳米管厚度的影响以及管壁厚度对光催化性能的影响。用0.5 M HCl调控分散Co9S8的去离子水/甘油混合液的p H,同时探究p H与Co9S8的摩尔比例对Co9S8@ZIS光催化性能的影响。在可见光下,用三乙醇胺作为牺牲剂,p H=5时,较薄的管壁及Co9S8的摩尔比例在15%时,产氢的速率达到5.443 mmol g-1 h-1,是单纯ZIS的12.8倍。
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