C3N4 ZnIn2S4 NiS的制备及其光催化性能研究.docx

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C3N4/ZnIn2S4/NiS的制备及其光催化性能研究

摘要

化石燃料的大量消耗，造成21世纪能源短缺，自然环境退化等问题，解决能源和环境问题迫在眉睫。绿色无污染的清洁能源——氢能：热值高，燃烧之后变成水，可再次用来生产氢气，实现可再生利用。有望在以后的发展中完全取代传统的化石能源，满足人类生产生活中日益增长的能源需求。而光催化分解水产氢既利用太阳能将水分解制得清洁的氢气又有效地解决能源危机和环境污染两大问题，对未来氢能发展意义匪浅。直至21世纪的现在，光催化分解水制氢经过多年的研究已经取得了可观的发展，但应用到实际中依然不能达到尽善尽美的效果，在光生电子空穴的复合和光催化剂禁带宽度较宽等问题上依然处于瓶颈阶段，使光催化的效率造成了影响；光能的利用得到限制。因此，为了进一步推进光催化水解产氢的研究进展，优化光催化剂的催化性能，本论文构建了C3N4/ZnIn2S4

/NiS三元复合光催化剂。光催化分解水测试结果显示，C3N4/ZnIn2S4/NiS三元复合光催化剂表现出最佳的产氢性能（1.9573mol），分别是单纯C3N4和ZnIn2S4的27和4倍。电化学测试结果表明，C3N4/ZnIn2S4/NiS复合材料的光电流强度最高，证明异质结高光催化产氢性能的来源于高效的光生载流子的迁移与分离效率。

关键词：光催化产氢；异质结；ZnIn2S4；C3N4；NiS

C3N4/ZnIn2S4/NiS的制备及其光催化性能研究

引言

在过去的二十年里，世界能源消费量增加了。以目前的消耗速度，预计在未来200年内,地球上丰富的煤炭资源都将枯竭，再一方面，化石燃料如天然气、石油、煤炭，燃烧释放的有害气体造成了许多的环境污染问题。氢能作为一种可再生的二次能源载体，在能源危机和环境问题等方面优势出众，具体表现如下：氢气来源广泛，燃烧时不污染环境，可循环使用。基于上述优点氢气被广泛认为是新世纪无污染的绿色能源，被誉为“未来石油”[1]。光催化分解水制氢以其光化学反应将无尽的太阳能转化或储存在氢的化学能中的独特创新之处从诸多制氢方法中脱颖而出[2]。这种利用太阳能转化产氢的方法是一种无害的良性循环。仅利用太阳光和水就能生产氢和氧的技术技术最早可以追溯到1972年，fujishma和Honda[3]开发了金红石TiO2作为光电电极，用于在紫外线辐射（UV）下将纯水分解为氢气和氧气。至此，半导体光催化产氢开启了新的研究篇章。

光催化分解水产氢的研究现状

利用太阳能转化生产氢能成为21世纪居高不下的研究热点。糅合了太阳能与光催化技术将水中的氢还原为零价的氢，对新世纪“绿水青山就是金山银山”的环保理念意义非凡。Fujishima等人发现浸入水中的TiO2单晶光电极在紫外光照射下其表面有氢气逸出，这项研究成为光解水制氢领域的开创性成果[4]。但太阳能光解水制氢的实际应用研究依然任重而道远。国内外科研工作者就如何高效利用可见光的催化材料来驱动光解水制氢反应的问题已经开发了许多种类的材料并成功应用。其中以氧/硫/硒化物、氮/磷化物，及其相关的无机光催化剂半导体材料为例一。

在没有任何助催化剂的条件下，Yuan等人制备出了一种立方钙钛矿晶型的BaZrO3光催化剂，产氢量可以达到0.5mmol·h1·g1[5]。Zou等人合成出了可以实现可见光照射下的水按化学计量比生成氢气和氧气的一类In-Ta-Ni-O光催化剂，研究结果表现出了良好的催化成效[6]。经过超声波分散剥离而不需氧化和还原重构，Lavorato等人所制得的氮掺杂石墨烯可应用于可见光催化产氢反应，可以通过控制热解温度调节其氮含量和光学特性[7]。Zhang等人用聚苯胺修饰PbS-CdS光催化剂，在不使用Pt助催化剂的条件下实现了光催化性能的显著提升，且光催化剂的抗光腐蚀能力增强[8-10]。此外结合上述研究，科学家们从全局角度出发考量制定策略提高光催化剂体系性能，Arai等人先掺杂Zn2+、Mg2+等金属离子在GaN半导体光催化剂，再在其上负载RuO2助催化剂，将其用于可见光照射下的水解制氢反应取得了很好的催化效果[11]。

异质结光催化剂的构建

异质结半导体光催化剂

异质结光催化剂是指两种半导体材料经过表面组装或者内部晶相界面交联的方式结合在一起，通过内建电场的构筑加速了电子、空穴的分离速率，进而提高光催化性能[12]。其次，构建异质结结构对于提升光催化剂的稳定性，扩展吸收光谱也有显著的作用。它是一种操作简单，效果显著的方式[13]。Z型异质结、p-n型异质结、异相结、多组分异质结、金属-半导体异质结、碳材料-半导体异质结都包含在异质结种类中。

异相结光催化剂

异质结光催化剂是异质结光催化剂