硫化物光催化劑活性增強(qiáng)的研究——以CdS為例.pdf

1、隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)變得日趨嚴(yán)重。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人們通過(guò)不斷的研究，一直在努力尋求一種廉價(jià)、高效、綠色環(huán)保的方法來(lái)解決環(huán)境和能源問(wèn)題。20世紀(jì)70年代，日本的Fujishima等人對(duì)于太陽(yáng)光下二氧化鈦分解水制取氫氣的研究給人們帶來(lái)了希望。鑒于該方法的低成本以及太陽(yáng)能的取之不竭，因此，其很快成為了材料界的研究熱點(diǎn)。人們?cè)噲D通過(guò)傳統(tǒng)光催化材料的改性以及新材料的探索來(lái)提高現(xiàn)有的光催化活性。
　　相比于氧化物光催化

2、材料（如TiO2、ZnO等），硫化物光催化材料一般具有優(yōu)良的可見(jiàn)光響應(yīng)性能，帶隙能量適中。以CdS為例，其禁帶寬度為2.4 eV，可以很好地響應(yīng)太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光。而且，硫化鎘的價(jià)帶和導(dǎo)帶位置既適合光催化分解水制氫，又適合光催化降解有機(jī)污染物。然而，美中不足的是，硫化物一般都具有顯著的缺點(diǎn)。一方面，由于受激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴很快發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致光催化的量子產(chǎn)率低下;另一方面，硫化物的光穩(wěn)定性比較差，容易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致循環(huán)利用性能不

3、好。離子摻雜能有效的修飾半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，可以對(duì)半導(dǎo)體材料的光催化性能進(jìn)行有效的改性和提高。本文中，我們嘗試了用金屬離子Ga和非金屬O來(lái)?yè)诫sCdS，以期能大幅度提高硫化物的光催化活性和穩(wěn)定性，具體的研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.利用水熱法合成了Ga摻雜的CdS樣品。通過(guò)一系列的科學(xué)表征，證實(shí)了我們制備的樣品的確為純凈的間隙Ga摻雜的CdS。在模擬太陽(yáng)光下，Ga摻雜的CdS催化降解有機(jī)染料的速率和循環(huán)性能得到了明顯的提升。另外，其光催

4、化分解水的活性也得到了顯著的提升。為了探究Ga摻雜的CdS光催化降解有機(jī)染料的反應(yīng)機(jī)理，我們開(kāi)展了捕獲劑實(shí)驗(yàn)和理論模擬計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)中空穴和超氧自由基起到主要的降解作用。由此，我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了光催化活性和穩(wěn)定性提高的機(jī)理。Ga在CdS晶格中的有效摻雜導(dǎo)致CdS的禁帶寬度變窄，能更好的響應(yīng)可見(jiàn)光;能拓寬價(jià)帶的深度，并且使CdS轉(zhuǎn)變成間接帶隙的半導(dǎo)體，從而抑制光生電子和空穴的再?gòu)?fù)合。這項(xiàng)研究提供了一種簡(jiǎn)單有效的方案，不僅為光催化

5、的理論研究提供了參考，而且有可能得到實(shí)際應(yīng)用。
　　2.長(zhǎng)久以來(lái)，金屬離子摻雜的CdS被廣泛的研究。然而，由于缺乏簡(jiǎn)單有效的制備方法，非金屬離子的摻雜研究還幾乎處于空白的狀態(tài)。本文中，我們采用一種簡(jiǎn)單易行的低溫水熱方法，以醋酸鎘、硫脲、雙氧水作為前驅(qū)體，首次合成制備了氧摻雜的CdS。通過(guò)表征，我們確鑿地證明了氧在CdS晶格中的有效取代摻雜。氧摻雜的CdS表現(xiàn)出非常優(yōu)異的光催化分解水和降解有機(jī)污染物的性能。根據(jù)光電化學(xué)測(cè)試，我們提出