水滑石基半異體復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究.pdf

1、半導(dǎo)體光催化劑由于其在環(huán)境清潔及太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域潛在的工業(yè)應(yīng)用價值受到越來越廣泛的關(guān)注。由于傳統(tǒng)的CdS光催化劑存在著量子效率低且易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象,改性CdS或開發(fā)固溶體光催化材料成為光催化領(lǐng)域的研究熱點之一。通過器件化實現(xiàn)光催化劑的連續(xù)操作和簡易回收是近年來的另一研究熱點。為此,本論文圍繞可見光響應(yīng)硫化物半導(dǎo)體光催化材料的可控制備、器件化及光催化性能表征展開基礎(chǔ)研究。針對目前該研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵科學(xué)問題,采用層狀雙羥基復(fù)合金屬氫氧化物(l

2、ayered double hydroxides,簡稱LDHs)材料為前驅(qū)體,經(jīng)原位氣固硫化制得系列硫化物半導(dǎo)體光催化材料。通過調(diào)變LDHs前驅(qū)體的組成及對相關(guān)硫化過程控制,實現(xiàn)了硫化物固溶體光催化材料組成、形貌、結(jié)構(gòu)的可控制備。同時,將溶劑蒸發(fā)和原位硫化相結(jié)合,構(gòu)筑了CdS／LDHs透明薄膜,并對硫化物固溶體及CdS／LDHs薄膜光降解亞甲基藍的性能展開研究。本研究工作有望為硫化物半導(dǎo)體光催化劑在組成調(diào)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計、光催化性能提高等方

3、面的深入研究奠定一定的實驗基礎(chǔ)。
　　 本文的創(chuàng)新點和研究結(jié)果如下:
　　 1.針對傳統(tǒng)的CdS光催化劑存在著量子效率低且易發(fā)生光腐蝕這一關(guān)鍵科學(xué)問題,根據(jù)LDHs層板金屬元素處于原子級均勻分散的特點,以ZnCdAl—LDHs為前驅(qū)體,通過原位硫化的方法制備了不同組成的一系列ZnzCd1-xS固溶體。制備得到的ZnxCd1-xS固溶體納米粒子均勻分布在無定形氧化鋁基質(zhì)中形成納米陣列結(jié)構(gòu),Zn0.20Cd0.80S納米粒子

4、粒徑均勻,尺寸約為3.01～4.0 nm。通過調(diào)變前體LDHs中Zn／Cd摩爾比,可實現(xiàn)對該材料帶隙的調(diào)控。在可見光下可降解亞甲基藍,光催化活性隨Zn摩爾含量的下降而顯著提高,當(dāng)x=0.2時,光催化活性達到最大值。
　　 2.以ZnxCd1-xS納米粒子為前體,采用強堿溶蝕的方法將體系中的無定形氧化鋁選擇性去除,得到一系列帶隙可調(diào)、具有超疏水性能的介孔ZnxCd1-xS固溶體光催化材料。研究證實,選擇性溶蝕后介孔ZnxCd1-x

5、S固溶體仍保持原有的元素組成、形貌及晶體結(jié)構(gòu),其比表面積和孔徑均有所增加。去除氧化鋁后,材料的帶隙降低,在可見光下光催化降解亞甲基藍的性能進一步提高。
　　 3.結(jié)合LDHs材料層板金屬元素可調(diào)以及LDHs薄膜可控制備的特點,以ZnFe—SO42--LDH為前驅(qū)體,經(jīng)溶劑蒸發(fā)、原位氣固相硫化制備了六方型Zn1-xFexS納米復(fù)合薄膜,實現(xiàn)了LDHs向硫化物半導(dǎo)體的拓撲轉(zhuǎn)變。研究Zn1-xFexS納米復(fù)合薄膜的形貌及界面微結(jié)構(gòu),探

6、討了不同元素組成與其光吸收性質(zhì)的關(guān)系,為制備硫化物半導(dǎo)體復(fù)合薄膜提供新方法。
　　 4.基于LDHs材料層間陰離子可交換的重要特點,以MgAl—LDHs為模板,結(jié)合離子交換、溶劑蒸發(fā)及原位硫化的方法制備了CdS插層LDHs納米透明薄膜。由于LDHs層板的二維限域作用,層間高分散的CdS納米粒子,均勻分布在LDHs陣列中。通過調(diào)變硫化反應(yīng)時間可實現(xiàn)對CdS納米粒子尺寸的調(diào)控。以光降解亞甲基藍為探針反應(yīng)研究其光催化性能,并探討了影響