吸附法制备CdS/HKLBT复合催化材料及其可见光制氢活性

采用吸附法制备了CdS和层状物的复合光催化材料CdS/HKLBT(吸附),并采用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(DRS)、透射电子显微镜(TEM)等技术对其进行了表征和分析。实验对比了吸附法制备的复合材料与离子交换法制备材料活性差异,考察了CdS负载量对复合物制氢活性的影响.结果表明,表面复合也能明显提高CdS的可见光制氢活性,当CdS复合量为15%(质量分数)时活性最高,达到532μmol/h,与离子交换法制备的光催化剂的产氢速率接近;而过多CdS的负载造成载流子迁移的障碍,从而不利于活性的提高.     

2D-2D CdS/Cu7S4层状异质结高效可见光光催化产氢（英文）

利用太阳能将水转化为清洁可持续的化学燃料是一种很有前途的策略.光催化水分解制氢技术是有效解决能源可持续发展和环境保护问题的重要技术.CdS由于具有较窄的带隙(2.4 eV)和合适的能带位置而被认为是最有潜力的光催化水产氢催化剂之一.然而,CdS强光的腐蚀性和快速的电子空穴复合导致光催化剂活性低、稳定性差,严重阻碍了CdS光催化剂的广泛应用.为了有效提高光催化产氢活性及稳定性,人们对CdS光催化剂进行了大量改性研究.其中,合理巧妙地加载助催化剂和构造纳米结构CdS被认为是两种极为重要的改性策略,两种策略的有效耦合可以更有效地利用太阳能,实现清洁氢燃料的生成.一方面,各种形貌的CdS光催化剂均已被开发,例如纳米线、纳米棒、纳米片和量子点等.然而,由于制备工艺复杂,在以往的报道中很少有超薄2D CdS纳米片用于光催化产氢.另一方面,由于贵金属(Ag,Pt,Au)的稀缺性和高成本阻碍了其修饰光催化剂的实际应用,所以利用非贵金属助催化剂(MoSx,CuS,Ni3C,WS2,NiS,MXene,CoxP和MoP)修饰CdS提高光催化产氢活性近年来备受关注.对于地球丰富的2D层状助催化剂Cu7S4而言,具有优异的光电催化产氢活性和简单制备方法,但是在光催化产氢领域的应用上未引起足够重视.因此,本文充分利用超薄CdS纳米片以及Cu7S4纳米片各自的独特优势,构建了独特的2D-2D层状异质结,实现了高效协同光催化产氢.我们首先以乙酸镉和硫脲为原料通过一步水热法合成了超薄2D CdS纳米片,并用静电自组装方法制备了CdS/Cu7S4.在可见光下进行了产氢测试,实验结果证实了优化的2D CdS/2%Cu7S4层状异质结在含有Na2S·9H2O和Na2SO3的水溶液中光催化析氢活性最高(27.8 mmol g^-1 h^-1),是原始CdS纳米片(2.6 mmol g^-1 h^-1)的10.69倍.经过4次连续循环反应,CdS/Cu7S4二元复合体系展现出良好的稳定性.为深入探讨高效产氢机制,对纳米级CdS复合材料的光催化物化性能及载流子分离机制进行了表征.通过X射线衍射确定了CdS和CdS/Cu7S4的晶体结构.用高分辨电子显微镜和X射线光电子能谱证实合成了CdS催化剂和Cu7S4助催化剂的超薄纳米片结构且成功复合.用紫外-可见漫反射光谱法对制备的纯CdS和CdS/Cu7S4复合样品的光吸收特性进行了表征.结果表明,在CdS上负载Cu7S4以后,可以明显观察到样品对可见光的吸收能力明显增强.对CdS/Cu7S4进行XPS测试分析,进一步证明了样品中S、Cd和Cu的化学成分和状态.利用PL发射光谱研究了CdS/Cu7S4光催化剂的电荷载流子复合和转移行为.进一步对纯CdS和CdS/Cu7S4复合光催化剂的瞬态光电流响应(I-t曲线)进行了研究,确定了光生载体的分离效率.阻抗是深入研究电荷载流子迁移和界面转移的最有力技术,利用阻抗技术证实CdS/Cu7S4界面高效的载流子分离性能.极化曲线结果表明,加入Cu7S4可以降低CdS的产氢过电势,因此加速表面产氢动力学.由此可见,本文所构建的2D-2D CdS/Cu7S4二元层状异质结可以同时实现光生电子空穴对的快速分离、电子的转移和增加光生电子在表面利用效率,从而最大幅度地提高其光催化水分解产氢活性.本文所采用基于CdS纳米片的2D-2D界面耦合策略可以作为一种通用策略扩展到各种传统半导体纳米片的改性,从而极大地推进高效光催化产氢材料的持续进步.     

多壁碳纳米管修饰的CdS/TiO2复合光催化材料的制备及其光解水制氢特性

以P25 TiO₂(德国Degussa化学公司)粉末为原料采用溶胶-凝胶法制备了含有不同CdS质量分数的复合光催化剂,利用多壁碳纳米管(MWCNTs)对CdS/TiO₂进行修饰,制备了一系列不同CdS含量的MWCNTs/CdS/TiO₂光催化材料。对所得的光催化剂进行了扫描电镜、低温氮吸附-脱附及光解水制氢活性的表征。研究了MWCNTs对CdS/TiO₂催化剂体系光解水制氢活性的影响。结果表明,MWCNTs的引入均使得光解水产氢量(14.0 μmol)增加,与未加入MWCNTs的复合光化剂产氢量(11.6 μmol)相比,平均产氢率增加了18%,最高可达21%。     

NiS-PdS/CdS光催化剂的水热法合成及其可见光分解水产氢性能

为提高太阳能转化效率, 高效响应可见光的光催化剂的研究十分必要. 本研究以硫化镉、氯化钯、醋酸镍和硫脲为原料, 利用水热法制备了NiS-PdS/CdS复合光催化剂. 通过X射线衍射(XRD)、紫外-可见光漫反射光谱(DRS)、透射电子显微镜(TEM)和光致发光(PL)光谱等手段对光催化剂进行了表征, 并在乳酸牺牲剂中对光解水制氢活性进行了测试. 结果表明: 助催化剂NiS 和PdS 能较好地分布在CdS 表面上, 形成共负载的NiS-PdS/CdS 光催化剂, 其可见光下的活性比CdS明显增强, 当NiS 和PdS 负载量分别在1.5%和0.41%(w)时, NiS-PdS/CdS获得最好活性, 最大产氢量达到6556 μmol·h^-1, 是CdS活性的7倍, 是NiS/CdS的近3倍, 测得在λ=420 nm时的表观量子效率为47.5%. 助催化剂NiS 和PdS分别起到传递光生电子和光生空穴的作用,两者共负载相比于单独负载, 能使光生载流子的迁移和分离效率更高, 因此提高了光催化产氢活性.     

大规模合成非贵金属磷化物/CdS复合光催化剂高效可见光催化产氢（英文）

目前,在可见光照射下光催化产氢是一条解决能源短缺的理想途径.该途径实现工业化的两个关键因素是得到低成本的光催化剂和高的产氢效率.非贵金属助催化剂代替贵金属可大大降低光催化剂的成本.通过简单的方法大规模合成并组装半导体和非贵金属助催化剂以形成复合光催化剂可进一步降低成本.本文采用大规模和低成本的共沉淀法合成了磷化物/CdS光催化剂,实现了光催化产氢.当负载CoP和Mo P助催化剂后,光催化产氢活性得到大幅度提高.其中CoP/CdS和Mo P/CdS的最佳产氢量分别为140和78μmol/h,并分别为CdS的7.0倍和4.0倍,分别为Pt/CdS的2.0倍和1.1倍.这说明磷化物CoP和Mo P是具有优良催化活性的低成本非贵金属助催化剂,可以代替贵金属助催化剂应用在光催化产H_2中.在制备磷化物/CdS时,先将两种磷化物反应原料分别在水热反应釜和马弗炉中煅烧合成前驱体,再分别在管式炉氮气和氢气氛围中进行磷化得到磷化物Mo P和CoP.然后,将得到的Mo P和CoP分别溶解在Cd(NO_3)_2·4H_2O溶液中,在搅拌状态下逐滴加入Na_2S溶液形成沉淀,即可得到复合物磷化物/CdS.CoP/CdS和Mo P/CdS的HRTEM观察显示,磷化物助催化剂与CdS半导体紧密结合,证明了共沉淀法制备助催化剂/半导体复合光催化剂的有效性.磷化物与CdS的紧密结合促进了光激发电子从CdS向磷化物转移,从而大大提高了光催化产氢活性.这项工作为低成本大规模制备光催化剂和光催化产H_2实现工业化提供了一条可行性思路.     

气-固相光催化分解硫化氢制氢

利用气-固相反应初步考察了几种常用半导体光催化剂在无氧条件下分解硫化氢产氢的活性.在研究的TiO2,CdS,ZnS,ZnO和ZnIn2S4等催化剂中,ZnS具有较高的光催化产氢活性.在ZnS上担载贵金属Ir可明显提高产氢速率,在ZnS制     

不同半导体体系中磷化镍光催化甲酸分解的助催化作用

研究了在不同的半导体体系(TiO₂, CdS和C₃N₄)中, Ni₂P光催化甲酸(HCOOH)分解制氢的助催化效应. 作为助催化剂, Ni₂P与3种半导体形成的复合光催化剂均表现出良好的HCOOH分解制氢活性. Ni₂P/TiO₂, Ni₂P/CdS, Ni₂P/C₃N₄ 3种光催化剂最优的产氢活性分别为41.69, 22.45和47.67 μmol·mg^-1·h^-1, 分别为纯TiO₂, CdS和C₃N₄的3.8倍、 10倍和210倍, 表明Ni₂P在光催化HCOOH分解制氢体系中具有普适性. 研究了光催化HCOOH分解制氢的机理, Ni₂P的加入使光生电子从半导体转移至Ni₂P, 提高了光生电子-空穴对的分离效率; Ni₂P还促进了活性物种·OH的生成, 提高了光催化HCOOH分解的产氢速率.     

碳铂双助催化剂增强CdS空心球光催化产氢性能

利用半导体光催化分解水产氢是将太阳能转换为化学能最有前景的方法之一.在众多的半导体光催化剂中,硫化镉(CdS)不仅具有可见光响应的带隙值(约2.4 eV),而且其导带底和价带顶的能级横跨于水的氧化还原电势两端,能够在可见光照射下分解水产氢,这使得CdS成为一种热门的光催化剂而被广泛研究.然而,单一CdS由于光生电子?空穴对复合速率快、光腐蚀严重等缺点,其光催化产氢活性并不高.为了克服这些缺点,人们探索了多种改性策略,如形貌和结构调控、构建异质结以及负载助催化剂等.负载助催化剂由于可以增强光吸收、促进光生电荷分离以及提供更多活性位点,被认为是一种有效的改性策略.然而,目前大部分的助催化剂都是金属材料,不仅价格昂贵,而且容易对环境造成污染破坏.碳材料因为具有经济环保、导电性能优异、化学稳定性好、光吸收能力和光热效应强等优点,成为一种有望实现太阳能高效综合利用的非金属助催化剂.其中,空心碳球还具有质量轻、比表面积大以及光利用率高等独特优势,吸引了广大科研工作者的注意.本文选取多孔碳空心纳米球(C-HS)作为模板,通过简单的水热法制备了carbon@CdS空心球(C@CdS-HS)复合光催化剂,并将其用于光催化分解水产氢.作为对照,在相同的条件下制备了单一的CdS空心球(CdS-HS).在模拟太阳光照射下并沉积1.0 wt%Pt后,C@CdS-HS/Pt的光催化产氢速率高达20.9 mmol h^?1g^?1(420 nm处的表观量子效率为15.3%),分别是CdS-HS、C@CdS-HS和CdS-HS/Pt的69.7、13.9和3.9倍.通过一系列表征手段,揭示了光生电荷的传输路径,并提出了C@CdS-HS/Pt光催化活性增强的机理,多孔C-HS的引入提高了复合光催化剂的比表面积,增加了反应活性位点;导电性良好的C-HS可以起到贮存和传导光生电子的作用,从而提高光生载流子的分离和传输效率;CdS纳米颗粒原位生长在C-HS表面形成紧密接触的界面,有利于光生电荷在界面间的传输;C-HS吸收红外光产生很强的光热效应,可以使复合光催化剂的表面温度显著升高,在动力学上提高催化剂的产氢速率;C-HS和Pt作为双助催化剂具有明显的协同效应,可以显著提高CdS的光催化产氢活性.     

非贵金属助催化剂CoP增强CdS纳米棒的光催化产氢活性研究

开发高效、廉价的非贵金属助催化剂一直是光催化分解水产氢领域备受关注的研究热点．本文采用水热和煅烧法合成非贵金属CoP负载的CdS纳米棒复合光催化材料．当CoP负载的质量分数为15%时,CoP/CdS复合光催化剂的产氢性能最优,达4 729.38μmol·g^-1·h^-1,是单一CdS的83倍．产氢测试结果表明,CoP作为助催化剂可以有效地提升光生载流子的分离效率,从而提高光催化产氢性能．此外,本文还重点研究助催化剂CoP与CdS之间光生载流子分离、传输行为以及复合比例对CdS光催化产氢活性的影响规律及其光催化产氢活性增强机理．本工作为设计开发低成本、高效的光催化材料提供了新的策略．     

利用地球上丰富的炭黑和NiS_2双助催化剂修饰提高CdS纳米片体系的可见光产氢活性(英文)

光催化产氢技术是目前解决能源和环境问题的最有潜力的方法之一,因此制备安全高效的光催化剂已成为目前的研究热点.在目前研究的各种光催化剂中,CdS光催化剂因为具有较窄的带隙(2.4 eV)和合适的导带位置,所以在可见光催化产氢领域受到广泛关注.然而,光生电子/空穴对易复合和光腐蚀作用极大地限制了CdS光催化剂的放大应用.因此,人们采用众多改性策略以提高CdS光催化剂的可见光产氢活性,其中构建CdS纳米结构和负载助催化剂被认为是最有效的方式.构建CdS纳米结构既可以缩短载流子的迁移路径,也可以减少CdS晶体中的缺陷.很多不同纳米结构的CdS光催化剂已经被开发,例如纳米线、纳米颗粒和纳米棒等.因为制备过程极为复杂繁琐,所以CdS纳米片的研究鲜见报道.本文采用乙酸鎘和硫脲为原材料,通过简单的溶剂热法合成了CdS纳米片.在CdS的各类助催化剂中,由于常用的Pt,Ag和Au等贵金属的高成本和低储量等问题严重限制了它们的实际应用,所以近年来众多非贵金属助催化剂(例如MoS_2,WS2,NiS,NiO和WC等)得到了广泛关注.由于非贵金属助催化剂存在弱电导率和低功函数等问题,影响了对光生电子的收集和利用.纳米碳材料具有极高的电导率、强可见光吸收、有效的载流子分离和较多的反应位点等优点,因此组合纳米碳材料和非贵金属助催化剂被认为是一种有效的解决方案.本文首次采用炭黑和NiS_2作为双助催化剂改性CdS纳米片,通过简单的溶剂热/沉淀两步法成功合成了廉价高效的CdS/CB/NiS_2三元光催化体系.光催化产氢性能测试表明,CdS-0.5%CB-1%NiS_2展现出最高的光催化效率(166.7μmol h~(-1)),分别是CdS NSs和CdS-1.0%NiS_2的5.16和1.87倍.X射线衍射、高分辨电子显微镜和X射线光电子能谱结果证实了CdS催化剂的片状结构,且炭黑和NiS_2成功负载在CdS纳米片表面.紫外-可见漫反射结果表明,随着炭黑和NiS_2的负载,复合催化剂的吸收边缘产生明显的红移,且对可见光的吸收增强.荧光光谱、阻抗和瞬态光电流曲线测试结果证明,炭黑和NiS_2的加入可以有效地促进光生电子/空穴对分离.极化曲线结果表明,加入炭黑和NiS_2可以降低CdS的产氢过电势,因此加速表面产氢动力学.总之,炭黑和NiS_2之间显著的协同效应极大地提高了可见光吸收,促进光生电子/空穴对分离,加速表面产氢动力学,最终得到了三元光催化体系极高的光催化产氢活性.     

A Covalent Organic Framework–Cadmium Sulfide Hybrid as a Prototype Photocatalyst for Visible‐Light‐Driven Hydrogen Production

CdS nanoparticles were deposited on a highly stable, two‐dimensional (2D) covalent organic framework (COF) matrix and the hybrid was tested for photocatalytic hydrogen production. The efficiency of CdS‐COF hybrid was investigated by varying the COF content. On the introduction of just 1 wt % of COF, a dramatic tenfold increase in the overall photocatalytic activity of the hybrid was observed. Among the various hybrids synthesized, that with 10 wt % COF, named CdS‐COF (90:10), was found to exhibit a steep H₂ production amounting to 3678 μmol h^?1 g^?1, which is significantly higher than that of bulk CdS particles (124 μmol h^?1 g^?1). The presence of a π‐conjugated backbone, high surface area, and occurrence of abundant 2D hetero‐interface highlight the usage of COF as an effective support for stabilizing the generated photoelectrons, thereby resulting in an efficient and high photocatalytic activity.     

Tuning the photocatalytic activity of CdS nanocrystals through intermolecular interactions in ionic-liquid solvent systems

Synthetic solvent systems for the fine-tuned preparation of CdS nanocrystallites, active in visible-light photocatalytic hydrogen production, were studied. To control crystallite size and spectral properties, the CdS crystals were synthesised by using different solvent systems, containing a series of tetrabutylammonium amino carboxylate ionic liquids as the crystal-growth control agents. Six samples of CdS, all with similar physical and spectral properties, exhibited greatly varying photocatalytic activity, with the most active sample outperforming the least active one by almost 60%. To rationalise this effect, the intermolecular interactions of the synthesis solvent system with the growing CdS nanocrystallites were characterised by using the Reichart betaine dye and the E(T)(N) polarity scale. A correlation was observed between the E(T)(N) values of the solvent system and the photocatalytic activity of the CdS nanocrystallite, suggesting that the hydrogen-bond-donating ability and/or dipolarity/polarisability interactions of the solvent system led to the preferential formation of active surfaces/surface sites on the CdS crystals.     

新型S型CdS-BiVO4异质结光电极的构筑及产氢性能研究

通过化学浴和连续离子层沉积法构筑了BiVO₄/CdS和CdS/BiVO₄两种S型异质结薄膜光电极. 利用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)、 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)以及电化学阻抗谱(EIS)对其形貌、 结构和光电性能进行了表征, 测试了两种薄膜电极的光催化和光电催化产氢性能. 结果表明, CdS和BiVO₄之间形成S型异质结, BiVO₄/CdS表现出最佳的光催化产氢性能, 而CdS/BiVO₄表现出最佳的光电催化产氢性能. 借助表面光电压技术探究了两种薄膜电极中S型异质结内建电场的形成过程和载流子传输的机制.     

双功能复合材料g-C3N4/CdS/Ni催化光解水产氢和5-羟甲基糠醛氧化性能

采用高温煅烧法、 原位生长法和光还原法分三步制备出双功能复合光催化剂g-C₃N₄/CdS/Ni. 材料中CdS的引入可以增强光生电子和空穴的分离效率, Ni可以进一步提高光致产氢速率. 在以三乙醇胺(TEOA)为电子给体的水溶液中对所制备的材料进行了催化产氢性能测试, 并对材料中CdS的含量进行了优化. 结果表明, 25% (质量分数)CdS负载量的复合材料催化产氢性能最佳, 其催化产氢速率为4134.5 μmol·g^-1·h^-1, 是 g-C₃N₄/Ni催化产氢速率的115倍. 且Ni是一种良好的质子催化剂. 在此基础上, 以5-羟甲基糠醛(HMF)替代TEOA作为体系的电子给体, 其可以被选择性地催化氧化为增值化学品2, 5-二甲酰基呋喃(DFF). 当体系中HMF的转化率为82.3%, DFF的选择性为69.4%时, DFF的产率(57.2%)达到最高, 体系中H₂的产量为 51.8 μmol/g. g-C₃N₄/CdS/Ni复合材料可以在同一体系中进行催化光致产氢和HMF的选择性氧化.     

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.     

CdS Reinforced with CoSX/NiCo-LDH Core-shell Co-catalyst Demonstrate High Photocatalytic Hydrogen Evolution and Durability in Anhydrous Ethanol

At present, inefficient charge separation of single photocatalyst impedes the development of photocatalytic hydrogen evolution. In this work, the CoS_X/NiCo-LDH core-shell co-catalyst was cleverly designed, which exhibit high activity and high stability of hydrogen evolution in anhydrous ethanol system when coupled with CdS. Under visible light (λ≥420 nm) irradiation, the 3 %Co/NiCo/CdS composite photocatalyst exhibits a surprisingly high photocatalytic hydrogen evolution rate of 20.67 mmol g⁻¹ h⁻¹, which is 59 times than that of the original CdS. Continuous light for 20 h still showed good cycle stability. In addition, the 3 %Co/NiCo/CdS composite catalyst also shows good hydrogen evolution performance under the Na₂S/Na₂SO₃ and lactic acid system. The fluorescence (PL), ultraviolet-visible diffuse reflectance (UV-vis) and photoelectrochemical tests show that the coupling of CdS and CoS_X/NiCo-LDH not only accelerates the effective transfer of charges, but also greatly increases the absorption range of CdS to visible light. Therefore, the hydrogen evolution activity of the composite photocatalyst has been significantly improved. This work will provide new insights for the construction of new co-catalysts and the development of composite catalysts for hydrogen evolution in multiple systems.