Ni基助催化剂的结构设计及其对CdS可见光分解水制氢性能的影响研究

摘要

近些年，光催化分解水制氢反应引起了人们的广泛研究。CdS是一种常用的可见光响应光催化剂，但较快的光生电子-空穴的复合速率和光腐蚀限制了它在光催化中的应用。在 CdS表面负载贵金属助催化剂是简便、有效的提高其光催化效率的方法之一，但由于贵金属价格较高，不利于实际应用，而研究发现，非贵金属Ni对CdS光催化分解水同样具有促进作用，因此本文主要对Ni基助催化剂的结构设计及其对 CdS可见光分解水制氢性能的影响进行了研究。具体内容为：
　　1. Ni纳米膜对CdS纳米棒光催化分解水产氢性能的影响
　　采用硼氢化钠还原体系，利用化学还原法，通过控制还原条件制备出Ni纳米膜。TEM表征说明Ni呈现膜状，有利于其在CdS表面的负载。Ni/CdS光催化剂的粉末X射线粉末衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(TEM)、X射线能谱(EDX)、荧光光谱仪(PL)等表征结果表明，Ni纳米膜在CdS纳米棒表面分布较为均匀，Ni的负载对CdS的各晶面衍射峰强度、荧光强度都有一定影响，表明Ni纳米膜在CdS纳米棒表面的沉积具有选择性，负载后引起 CdS纳米棒本征激发对应的荧光峰减弱，光生载流子寿命延长。Ni/CdS光催化剂可见光（?≥420 nm）分解水产氢活性测试表明，当Ni纳米膜的负载量为1.2％时，Ni/CdS产氢活性最高，为40.18 mmol/h/g，高于相同担载量和相同反应条件下的Pt/CdS（26.8mmol/h/g，担载量1.25 wt%，为该反应体系下的最高产氢速率）的产氢活性。究其原因可能在于 Ni纳米膜在 CdS表面负载更为均匀，形成了更多活性位点，有效抑制了CdS光生电子-空穴的复合，从而提高了分解水产氢活性。
　　2.不同结构双金属PtNi纳米粒子对CdS光催化分解水产氢活性的影响
　　1) PtNi合金纳米粒子对CdS光催化分解水产氢活性的影响
　　采用化学连续还原法制备出PtNi合金纳米粒子，TEM表明PtNi合金纳米粒子大小在5 nm左右，无明显团聚现象发生。对PtNi/CdS光催化剂进行X射线单晶衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(TEM)、X射线能谱(EDX)、荧光光谱仪(PL)表征，结果表明PtNi纳米粒子在CdS表面有较好的负载，且对CdS部分晶面的衍射峰强度有影响，说明沉积存在方向性。然而 PtNi/CdS的荧光强度与单金属Pt/CdS、Ni/CdS相比出现了反差，说明两种元素形成的合金出现共振结构。通过改变前驱体 H2PtCl6、NiCl2的量制备出不同质量配比的 PtNi合金纳米粒子，并应用于光催化实验，结果表明，当PtNi配比为5:5时，PtNi/CdS产氢速率最高，为53.4 mmol/h/g，产氢活性较相同条件下的 Pt/CdS（20.1 mmol/h/g）、Ni/CdS（34.82 mmol/h/g）有明显提高，原因主要在于双金属之间的协同作用使得电子的转移速率进一步增强，光生电子-空穴的复合率降低。
　　2) PtNi空心纳米粒子对CdS光催化分解水产氢活性的影响
　　以K2PtCl6和NiCl2.6H2O为前驱体，硼氢化钠为还原剂，采用化学连续还原法，通过改变前驱体的量制备出不同摩尔配比的 PtNi空心结构纳米球。透射电镜(TEM)结果表明PtNi空心结构纳米球大小在50 nm左右，边缘壳层厚度在2-3 nm左右，但颗粒尺寸不太均一。利用化学沉积和光沉积结合的方法将PtNi空心结构纳米粒子沉积到CdS表面，得到PtNi/CdS光催化剂。在牺牲试剂(NH4)2SO3存在下，进行可见光分解水产氢反应，结果表明，PtNi空心结构纳米粒子对CdS的光催化性能有一定促进作用，当PtNi摩尔配比为1﹕0.5时，产氢活性最高，为29.76 mmol/h/g。PtNi/CdS荧光测试数据表明，PtNi空心微球在CdS纳米棒表面负载引起其本征激发减弱，是其可见光产氢活性增强的电子学基础。

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1 绪论

1.1 概述

1.2 光催化分解水制氢研究现状

1.3 镍基助催化剂的研究进展

1.4 铂镍双金属纳米粒子研究进展

1.5 本课题的选题依据及研究内容

2 Ni纳米膜对CdS纳米棒光催化分解水产氢性能的影响

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

3 PtNi合金纳米粒子对CdS光催化分解水产氢活性的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

4 PtNi空心纳米粒子对CdS光催化分解水产氢活性的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4小结

参考文献

5结论

5.1 本论文的主要结论

5.2 本论文的创新点

5.3 存在问题

攻读学位期间发表的学术论文

致谢