ZnxCd1-xS及其納米復(fù)合材料的可控合成和光催化性能研究.pdf

1、充分利用太陽能光催化分解水制氫和降解有機(jī)污染物是解決21世紀(jì)全球面臨的能源危機(jī)和環(huán)境問題的重要途徑。因此設(shè)計(jì)和制備新穎的高效可見光響應(yīng)的半導(dǎo)體光催化材料已成為當(dāng)前國際熱門研究領(lǐng)域之一。作為典型的半導(dǎo)體材料，Ⅱ一Ⅵ化合物由于它們在半導(dǎo)體激光器、固體發(fā)光和太陽能電池等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景而一直備受關(guān)注。由于其獨(dú)特的催化活性，ZnS、CdS及其 ZnxCd1-xS復(fù)合材料作為新穎的光催化材料而備受關(guān)注。光催化劑的化學(xué)組分、尺寸和形貌等是影響

2、其光催化性能的重要因素。因此制備尺寸和組分可調(diào)的、特殊形貌金屬硫化物納米材料，探索其生長和高催化活性的機(jī)理，對于促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。本文選取了ZnxCd1-xS及其復(fù)合材料為研究對象，系統(tǒng)地研究了ZnxCd1-xS及 ZnxCd1-xS/TiO2、ZnxCd1-xS/CeO2等體系的可控合成，以及其形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等對其光學(xué)性能和光催化性能的影響。所取得的主要成果如下：
　?。?）采用化學(xué)水浴沉積法制備了ZnxCd1-

3、xS薄膜樣品。通過調(diào)節(jié) Zn/Cd的摩爾濃度比，制備形貌、成分、結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性可控的ZnxCd1-xS薄膜。隨著 Zn/Cd摩爾濃度的增大，ZnxCd1-xS薄膜的吸收光譜藍(lán)移，吸收峰強(qiáng)度逐漸增大。結(jié)果表明，隨著 Zn含量的減少，ZnxCd1-xS薄膜對可見光的吸收明顯增強(qiáng)。催化污染物的光降解效率也顯著提高。ZnxCd1-xS納米薄膜在可見光照射下4h的降解效率為21.2％-80.2%。其中 Zn0.15Cd0.85S復(fù)合納米材料形成半

4、導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，進(jìn)一步增強(qiáng)了光催化反應(yīng)效率，其降解率最高。
　　（2）用化學(xué)沉積法制備了Zn0.2Cd0.8S薄膜樣品，研究了不同pH值、退火條件和不同加熱速率對Zn0.2Cd0.8S納米材料的的形貌、結(jié)構(gòu)、成分、光學(xué)性能和光催化性能的影響以及探討了ZnxCd1-xS薄膜成膜機(jī)理。當(dāng)pH值增大時，薄膜的可見吸收光譜紅移，吸收峰強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)退火溫度和加熱速率的增加，S/(Zn+Cd)摩爾比減小，結(jié)晶度變好，薄膜的可見吸收光譜紅移，催

5、化污染物的光降解效率也顯著提高。退火溫度為500℃時 Zn0.2Cd0.8S催化甲基橙效率最高。
　?。?）采用化學(xué)沉積法成功的制備了具有較高光催化活性的ZnxCd1-xS粉末和ZnxCd1-xS/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體納米材料。合成的ZnxCd1-xS顆粒尺寸為50-100nm，TiO2顆粒尺寸約為80nm,且 ZnxCd1-xS/TiO2復(fù)合材料中 TiO2和ZnxCd1-xS納米顆粒相互均勻分散。純 ZnxCd1-xS樣品由于光

6、腐蝕而不穩(wěn)定，多次使用后，光催化活性明顯下降。ZnxCd1-xS/TiO2復(fù)合納米樣品在可見光與紫外光催化下經(jīng)歷五次循環(huán)后光催化性幾乎無損失，這表明在可見光與紫外光的照射下 ZnxCd1-xS/TiO2復(fù)合納米樣品具有較高的光催化穩(wěn)定性。ZnxCd1-xS/TiO2復(fù)合納米材料較高的光催化和穩(wěn)定性可歸因于ZnxCd1-xS與 TiO2形成的異質(zhì)結(jié)使電子空穴對有效分離。復(fù)合體系中TiO2為12%時，其催化效率最高。
　　（4）采用化

7、學(xué)沉積法制備 ZnxCd1-xS/CeO2復(fù)合納米材料，研究了沉積工藝、CeO2不同復(fù)合比例對ZnxCd1-xS/CeO2復(fù)合納米材料的形貌、結(jié)構(gòu)、成分、光學(xué)性能和光催化性能的影響。發(fā)射光譜的峰值均出現(xiàn)在530nm附近，隨著 CeO2的摩爾比率增加 ZnxCd1-xS/CeO2復(fù)合納米樣品的發(fā)射峰強(qiáng)度降低。表明電子-空穴的復(fù)合率降低,從而可以提高電子空穴對的氧化還原能力，并改善了ZnxCd1-xS的光催化活性。研究結(jié)果表明，ZnxCd1