核壳结构CdS/ZnS微米球表面处理与光催化制氢性能的关系（英文）

具有高活性和稳定性的半导体光催化材料是太阳能光催化制氢领域的研究热点,其中CdS胶体颗粒催化剂因其合适的禁带宽度和带边位置以及较低的原料价格而广受关注.但它在水溶液中不稳定,易受光腐蚀,因而限制了其应用.目前人们致力于用各种方法提高其稳定性,包括各种纳米结构的应用、复合其他催化剂材料以及不同晶相结构复合.ZnS是一种宽禁宽半导体,禁带宽度为3.6 eV,常被用来与CdS形成固溶体调控其能带结构,从而提高其性能和稳定性.其中核壳结构CdS/ZnS异质结具有骑跨型(I型)能带结构,具有特殊的光学和电学性质,在量子点LED和量子点生物荧光显示剂方面获得关注和应用,同时也显示了良好的光催化性能.研究人员对核壳结构CdS/ZnS异质结材料中ZnS壳层厚度对其光学性能包括荧光效率等的影响进行了研究,然而ZnS壳层厚度、颗粒尺寸及其表面处理对光催化性能影响方面的报道很少.本文发展了一种简易的两步法,制备了核壳结构CdS/ZnS微米球光催化剂.首先采用超声喷雾热分解法制备CdS微米球,然后以水浴法在CdS微米球上生长ZnS壳层.采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)和透射电镜(TEM)对所得样品进行了表征.SEM和TEM结果显示,所得微米球为完整包裹的球形核壳结构;XRD表征证实CdS核与ZnS壳层皆为六角相晶型;光催化性能表征结果显示,该样品的光催化制氢性能远高于单独的CdS微米球以及同法所制的ZnS微米球.通过改变前驱液浓度(Zn源浓度分别为0.2,0.3和0.5 mol/L)获得了三种不同厚度的核壳结构CdS/ZnS微米球,X射线荧光光谱结果证实了其壳层厚度成功调控.UV-vis结果发现,其吸收边由内核CdS决定,受壳层厚度的影响不大.光致荧光发射光谱分析发现,随着壳层厚度的增加,其540 nm处的CdS带边发射峰强度逐渐增大.这可能是由于ZnS壳层对CdS表面缺陷的钝化作用降低了其非辐射复合过程,从而提高了荧光发光效率.光催化制氢性能结果表明,前驱液浓度为0.3 mol/L时合成的核壳结构CdS/ZnS微米球的产氢效率最高.为了进一步提高其光催化效率,采用氮气中高温热处理、水热二次硫化法以及两者共用三种方式对性能最优的微米球进行改性,获得了三种核壳结构CdS/ZnS样品.结果发现,这些改性方法未影响其吸收边,但水热二次硫化法处理以及两者共用处理的样品在540 nm处的光致荧光发射峰强度明显高于未处理的和高温热处理的样品,证实水热二次硫化法处理可以有效地消除其表面缺陷,减少非辐射复合.XRD结果表明其晶型没有发生变化.TEM表征发现,经高温热处理后其壳层发生重结晶,形成颗粒包裹形貌,而经水热二次硫化法处理后其壳层同样发生重结晶,但包裹颗粒的尺寸明显更小.光催化性能测试表明,处理后样品的光催化性能皆优于未处理样品,其中两者共用法处理的样品产氢性能和稳定性最高.     

CdTe/CdS量子点的Ⅰ-Ⅱ型结构转变与荧光性质

制备了壳层厚度可以精确控制的CdTe/CdS核壳量子点, 利用紫外-可见吸收光谱、光致发光光谱、透射电镜和时间分辨光谱等技术, 分析了CdS壳层厚度对CdTe量子点的荧光量子产率和光谱结构的影响规律. 发现了不同于CdSe/CdS, CdSe/ZnS, CdTe/ZnS等核壳量子点的荧光峰展宽、大幅度红移以及荧光寿命大幅度增加现象. 根据能带的位置关系, 随着CdS厚度的增加, CdTe从Ⅰ型结构逐渐过渡到Ⅱ型核壳结构. 对于Ⅱ型CdTe/CdS核壳量子点, 不仅存在CdTe核区导带电子与价带空穴间的直接复合, 还存在CdS壳层导带电子与CdTe核价带空穴界面处的间接复合, 发光机制的变化导致荧光峰的展宽、明显红移和荧光寿命的增加. 当壳层过厚时, 壳层表面新引入的缺陷会阻碍荧光寿命和量子产率的进一步提高.     

ZnS微米球的水热合成及光催化性能研究

以L-半胱氨酸为硫源,明胶作为组装剂,采用水热方法制备了粒径均一的ZnS微米球。利用XRD,TEM,FESEM,FTIR探讨了明胶、反应时间和反应温度对产物形貌和尺寸的影响,其结果表明ZnS微米球是由ZnS纳米颗粒组装而成的3D多级结构。光催化性能研究表明,明胶的加入提高了最终产物的光催化性能。利用产物的荧光发光性能解释了其光催化性能产生差异的原因。     

水溶性的CdSe/CdS/ZnS量子点的合成及表征

用L-半胱氨酸盐(Cys)作为稳定剂,合成了水溶性的双壳结构的CdSe/CdS/ZnS半导体量子点。吸收光谱和荧光光谱结果表明,双壳结构的CdSe/CdS/ZnS纳米微粒比单一的CdSe核纳米粒子和单核壳结构的CdSe/CdS纳米粒子具有更优异的发光特性。用透射电子显微镜(TEM)、ED、XRD、XPS和FTIR等方法对CdSe核和双壳层的CdSe/CdS/ZnS纳米微粒的结构、分散性及形貌分别进行了表征。     

PAMAM树形分子模板法原位制备CdS-ZnS核-壳结构量子点

以4、5代PAMAM树形分子(64个酯端基)为模板, 在树形分子空腔内原位合成了CdS-ZnS核-壳结构量子点, 并对其形貌和光学性能进行了表征. HRTEM观察发现量子点分散良好, 尺寸均匀, 平均粒径约为2.3 nm. UV-Vis光谱证明ZnS外延生长在CdS核外, EDS能谱也证明了核壳结构的生成. 适当厚度的ZnS壳层可使光致发光效率提高至31%. PAMAM树形分子包在CdS-ZnS核-壳结构量子点外, 构成一层有机壳, 有效地限制了粒子聚集, 钝化了CdS量子点表面, 提高了发光效率. 另外， PAMAM树形分子良好的溶解性也赋予了量子点在不同极性溶剂中良好的溶解性, 提高了其稳定性.     

利用拉曼和表面光电压谱对一维TiO2@CdS核壳结构界面电荷行为研究

利用化学气相沉积法制备了直径约90 nm,长数十微米的高质量TiO2纳米线.通过化学浴沉积法(CBD)在纳米线表面生长CdS包覆层,形成了一维TiO2@CdS核壳结构.不同包覆层厚度的一维TiO2@CdS核壳结构拉曼光谱研究发现TiO2/CdS界面的光生电荷转移对CdS和TiO2拉曼响应均有增强效应.结合表面光电压谱研究发现表面包覆层的厚度对TiO2/CdS界面光生电荷转移有显著的影响.表面CdS包覆层厚度对拉曼和表面光伏响应影响的研究表明电子在CdS包覆层中的电子扩散距离在30～60 nm.     

表面修饰CdS和(CdS)ZnS纳米晶的性能研究

在水相中合成了CdS纳米微粒,以ZnS对其进行表面修饰,得到具有核壳结构的(CdS)ZnS水溶性纳米晶。采用红外光谱、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)表征其粒度和形貌,紫外-可见吸收光谱(UV)、荧光光谱表征其光学特性。制得的CdS近似呈球形,直径为8nm;CdS纳米颗粒表面经ZnS修饰后,其荧光发射峰强度显著增强,表面态发射减弱。     

ZnS-CdS/SiO_2复合效应对光吸收及光催化性能的影响

用等体积浸渍法制备了一系列ZnS-CdS/SiO2复合半导体硫化物,采用XRD、TPR、UV-vis DRS和连续流动光催化反应对半导体材料的表面结构、能带结构、光吸收性能以及光催化反应性能进行了研究.结果表明:ZnS和CdS在载体表面发生复合作用,形成了CdxZn1-xS复合物,这种复合作用与焙烧温度以及ZnS/CdS比例有关,当煅烧温度为450℃且ZnS/CdS=1时,复合作用最强;ZnS和CdS间的复合效应对半导体材料的能带结构、吸光性能以及光催化性能产生了影响.复合作用越强其光催化CO2和CH4反应性能越高.     

光谱法研究CdSe/CdS/ZnS量子点与壳聚糖的复合

通过CdSe/CdS/ZnS量子点与壳聚糖之间的静电作用,用共混法制备了壳聚糖-CdSe/CdS/ZnS复合物.用荧光光谱、紫外-可见光谱、红外光谱对所得的壳聚糖-CdSe/CdS/ZnS复合物进行了表征.研究结果表明:壳聚糖-CdSe/CdS/ZnS复合物具有良好的光学性能.     

磁性荧光纳米材料的制备与性能

采用表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰Fe₃O₄磁性纳米粒子, 经质子化后, Fe₃O₄磁性纳米粒子表面披覆大量的正电荷, 与表面带负电荷的巯基丙酸(MPA)修饰的核壳CdSe/CdS/ZnS量子点(QDs)通过强烈的静电作用而发生组装, 得到兼具磁性和荧光性能的磁性荧光纳米材料. 利用透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、荧光分光光度计和振动样品磁强计(VSM)等测试手段对磁性荧光纳米材料进行表征. 研究表明, 由两种粒子组装的核壳结构复合粒子拥有良好的磁性能和荧光性能.     

g-C_3N_4/CdS纳米棒复合光催化剂的制备及其光催化性能

采用简单的水热法制得CdS纳米棒,采用溶剂热法制得g-C_3N_4/CdS纳米棒复合光催化剂(1),其结构和性能经SEM,XRD和UV-Vis(DRS)表征。探究了1在可见光作用下光催化降解模拟有机污染物甲基橙的性能。结果表明:在可见光作用下,与纯CdS纳米棒光催化剂比较,1的催化活性明显提高,稳定性显著增强。     

Fabrication of ZnS/CdS Heterojunction by Using Bimetallic MOFs Template for Photocatalytic Hydrogen Generation

A new ZnS/CdS heterojunction is constructed through the direct sulfurization of a metal ions exchanged Zn/Cd-MOF precursor(MOF=metal-organic framework material). The composition, structure, morphology, photo-absorption and photoelectric performance of the ZnS/CdS are characterized by powder X-ray diffraction(PXRD), scanning electron microscope(SEM), transmission electron microscope(TEM), diffuse reflection spectrum(DRS), photoelectric current(PEC), electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and photoluminescence(PL) technologies. Since the metal ions are highly orderly separated by the organic ligands and the inherent porosity of the Zn/Cd-MOF, the as-synthesized ZnS/CdS possesses a large surface area and intimate contact at the heterogeneous interface with uniform ZnS/CdS nanoparticles. The photocatalytic hydrogen evolution activity of the ZnS/CdS is investigated under visible light irradiation(λ ≥ 420 nm). It exhibits enhanced photocatalytic performance that the optimal ZnS/CdS achieves a maximum average hydrogen production rate of 2348 μmol·h^-1·g^-1. A possible electron transfer mechanism is therefore proposed by the analyses of the Mott-Schottky plots.     

核壳结构CdS/ZnS纳米微粒的制备与光学特性

CdS and CdS/ZnS core-shell structure nano particles were synthesized in micro emulsion, and characterized by X-ray diffraction(XRD), transmission electron microscopy (TEM), UV absorption spectra and PL. The average diameter of CdS was about 3.3 nm, and CdS/ZnS core-shell structure was confirmed by XRD and UV. Considering the optical properties of CdS/ZnS core-shell structure nanoparticles which have different ZnS shell thickness, the UV absorption edge of CdS/ZnS becomes as lightred-shift with the thickness of ZnS layer increasing, and the absorption of shortwave band is strongly enhanced at the same time. The PL spectra indicate that ZnS shell layer can greatly eliminate surface defects of CdS nanoparticles and make its band-edge directed recombination increased, and the luminous efficiency of CdS is improved greatly when it has appropriate shell thickness.     

CdS@g-C3N4复合核壳纳米微粒的制备与光催化性能

采用水热法,在乙二胺和EDTA-2Na作用下,成功制备了CdS@g-C3N4复合核壳纳米微粒,并探讨了其生长机理。结果显示:CdS@g-C3N4复合核壳纳米微粒的比表面积是纯CdS纳米颗粒的14.0倍,具有良好的光催化活性和光稳定性。当反应条件为180℃、4 h、CdS/g-C3N4质量比1.9∶1时,CdS@g-C3N4的可见光催化性能最好,300 W氙灯光照2 h,RhB的降解率达95.2%,明显高于纯CdS。重复使用3次后,CdS@g-C3N4形貌、结构及光催化性能无明显变化。     

Effect of layer thickness on the luminescence properties of ZnS/CdS/ZnS quantum dot quantum well

ZnS/CdS/ZnS quantum dot quantum well was prepared. The optical properties of ZnS/CdS/ZnS QDQW with different thickness of CdS well and ZnS shell were studied. Absorption spectra, emission spectra, and luminescence lifetimes were measured. The observed luminescence was assigned to the bulk donor-acceptor pair recombination of CdS and can be enhanced by increasing the thickness of the CdS well or coating an appropriate thickness of ZnS shell on the surface of the CdS well. The luminescence enhancement was caused by the relative reduce in the surface effect. The luminescence lifetimes were influenced strongly by the surface state.     

Enhancement of photocatalytic H2 evolution on CdS by loading MoS2 as Cocatalyst under visible light irradiation

This communication presents our recent results that the activity of photocatalytic H2 production can be significantly enhanced when a small amount of MoS2 is loaded on CdS as cocatalyst. The MoS2/CdS catalysts show high rate of H2 evolution from photocatalytic re-forming of lactic acid under visible light irradiation. The rate of H2 evolution on CdS is increased by up to 36 times when loaded with only 0.2 wt % of MoS2, and the activity of MoS2/CdS is even higher than those of the CdS photocatalysts loaded with different noble metals, such as Pt, Ru, Rh, Pd, and Au. The junction formed between MoS2 and CdS and the excellent H2 activation property of MoS2 are supposed to be responsible for the enhanced photocatalytic activity of MoS2/CdS.     

高分子修饰Pt/ZnS-CdS/SiO2催化剂表面官能团调变

用丙烯酸酯和环氧树脂将亲水性的-OH和芳香性的苯环修饰到Pt/ZnS-CdS/SiO2催化剂表面,在不同气氛下进行热处理,得到了表面修饰并热处理后的Pt/ZnS-CdS/SiO2光催化剂,考察催化剂的可见光催化分解水产氢活性.结果表明修饰并热处理后催化剂活性不同程度的下降.XRD结果表明,修饰前后ZnS和CdS的特征衍射峰没有改变,但空气热处理致使催化剂晶型由立方晶型的CdS和六方晶型的ZnS向六方晶型的CdS和α-ZnS的转变,氢气气氛热处理致使催化剂的晶型向六方结构的固溶体Zn0.5Cd0.5S转变,未修饰的催化剂在空气和氢气中热处理后晶型发生了同样的转变.HRTEM结果表明表面修饰后催化剂平均粒径由18 nm减小为6 nm,仍以ZnS为外层,CdS为内层的核壳结构形态存在.紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)结果表明,经修饰和热处理后的光催化剂在450～800 nm区间的光吸收增加,在空气中773 K煅烧后的催化剂的吸收限由480 nm红移至520 nm,而在氢气中于773 K煅烧后吸收限则由480 nm蓝移至420 nm.修饰后催化剂的羟基吸收强度增大,出现了苯环的特征吸收峰,这些官能团经热处理后发生了显著变化.红外光谱(IR)结果表明空气热处理导致部分含氧官能团发生了脱离,羟基吸收增强;氢气热处理导致C—O和C—O—C的吸收峰增强,同时催化剂表面发生碳化.热重差热分析(TG-DTA)与红外结果均证实了这种变化.产氢活性下降可能归结为表面羟基减少导致的在反应体系中的分散性和光生电荷的分离效率降低;催化剂表面的含氧官能团占据了催化活性位并且降低了颗粒在水溶液中的分散性.     

A Facile One‐Pot Synthesis of Layered Protonated Titanate Nanosheets Loaded with Silver Nanoparticles with Enhanced Visible‐Light Photocatalytic Performance

Layered protonated titanate nanosheets (LPTNs) loaded with silver nanoparticles are prepared by a simple one‐pot hydrothermal route in silver‐ammonia solution. The as‐synthesized Ag‐loaded LPTNs possess large specific surface area. The Ag nanoparticles are highly dispersed on the surface of the LPTNs. They have negligible effects on the crystal structure, crystallinity, and surface area of the LPTNs but result in considerable enhancement of visible‐light absorption and in a red‐shift of the band gap for the LPTNs. The Ag‐loaded LPTNs show enhanced photocatalytic activity for both liquid‐ and gas‐phase reactions under visible‐light irradiation. Moreover, the photocatalytic activity first increases gradually with increasing Ag loading content, and then decreases after maximizing at an optimal Ag content. At the Ag loading content of 2.87 mol % and 1.57 mol %, the Ag‐loaded LPTNs exhibit the highest visible‐light photocatalytic activity for degradation of rhodamine B in water and mineralization of benzene in air, respectively. An alternative possible mechanism for the enhancement of the visible‐light photocatalytic activity is also proposed.