离子液体调控复合金属硫化物纳米材料构筑及可见光分解水制氢研究

Band structure of Composite metal sulfides ause can be conrolled by adjusting their composition with various application fields . But the hydrogen production efficency needs to be improved in the use of solar energy. Therefore, the composite-metal sulfide nanometer photocatalyst I - III - VI2 ( I = Cu, Ag, Zn, Cd; III = Ga, In; VI2 = S, Se, Te ) were synthesized through the refluxing coprecipitation, solid solution and composting method and so on with ionic liquid as tuning reagent in this project. The energy band gap of the light catalyst can be controlled via dopping and solid solution in order to meet the maximum absorption of the visible light based on the energy-gap-adjusting theory. Hydrogen production activity and electron-hole migration can be prompted with the microscopic structure and special shape, for the sake of inhibiting electron-hole recombination to better the photocatalytic hydrogen production activity. To value the performance of the water splitting of the photocatalyst, the experiment of water splitting was carried out in the different substance of electron donor under the condition of visible light. Meanwhile, the systematic investigation on the metal composition, energy band structure, morphology and sizes as well as other factors on the photocatalytic activity. The reasonable photocatalytic mechanism is proposed to provide the theoretical foundation and scientific basis for new types of photocatalyst.

复合金属硫化物的能带结构可以通过控制组成进行调控，在光催化剂研究领域具有广阔的应用前景，但其利用太阳能光催化制氢的效率还需提高。本项目通过离子液体调控作用采用回流共沉淀、金属置换、溶剂热等方法可控合成窄带隙复合金属硫化物纳米光催化剂I-III-VI2 (I=Cu,Ag,Zn,Cd;III=Ga,In;Ⅵ2=S,Se,Te)。通过掺杂、固溶、复合等方式调节复合金属硫化物的组成，改变其能带结构，获得最大限度吸收可见光的性能。基于复合金属硫化物微观结构与形貌的可调性，可有效的产生制氢活性位与电子空穴的迁移路径，促使电子-空穴的定向迁移，有效抑制电子和空穴复合，从而提高其制氢的活性。为评估其光分解水制氢的性能，在不同物质作电子给体条件下进行可见光分解水的研究，探索建立金属硫化物的结构组成、能带结构、形貌等因素与光分解水活性的构效关系，提出合理的光催化机理，为新型光催化剂研制提供理论基础和科学依据。

本项目按照申请书研究计划开展了多孔多金属复合材料的合成及光催化性能研究。在绿色溶剂中，利用回流共沉淀、金属置换和溶剂热等化学方法制备系列原位生成CdS纳米颗粒共同掺杂多孔TiO2光催化剂，首先以聚苯乙烯微球为模采用溶胶凝胶法和热处理合成了CdO掺杂TiO2多孔材料。在溶剂热条件下，原位硫化和制备CdS掺杂TiO2多孔材料, 并研究了掺杂比例和煅烧温度对样品光催化性能的影响，实验结果表明CdS的掺杂，使样品的增加了吸收光的范围，而且能够减少电子-空穴对的复合，从而提高样品光分解水的性能，产氢率达到1048.7umol·h -1·g -1。同时制备了CdS-MoS2纳米颗粒共同掺杂多孔TiO2光催化剂。CdS-MoS2纳米颗粒共同掺杂多孔TiO2光催化剂在可见光下分解水具有较高的催化活性，光分解水产氢的速度达到4146 umol·h -1·g -1。采用类似方法合成了Nd掺杂TiO2 、Sn/Nd共掺杂TiO2多孔材料的制备及光催化性能的研究，Ag掺杂TiO2、金红石相掺杂锐钛矿相TiO2、Ag/金红石相共掺杂锐钛矿相TiO2多孔材料的制备及光催化性能的研究，Bi2S3掺杂TiO2多孔材料的制备及光催化性能的研究, CdSe掺杂TiO2多孔材料的制备及光分解水性能研究。利用XRD、XPS、SEM及TEM对复合金属硫化物复合结构、组成、形貌等进行表征，开展光分解有机污染物及水性能研究。根据光分解水的实验数据提出光分解水的机理，建立催化反应模型，考察纳米晶体的尺寸、表面、尺寸效应，总结出催化剂组成及结构-效能关系。确定不同复合金属硫化物结构组成、形貌与光催化活性间的关系，揭示自由电子–空穴对的分离机理。.项目在执行期间，项目负责人杜记民荣获河南省科技杰出青年，河南省高校创新人才项目的资助。近年来，一直从事纳米材料和介孔微孔材料的合成及其电、光和降解性能的研究，相关工作在国际学术刊物上总共发表SCI论文14余篇，获批国家发明专利1项， 指导3名年轻教师，成为科研骨干，已经招收研究生4名，1名研究生获得硕士学位,指导本科毕业论文26名，并且获得学士学位，参加学术会议6次，邀请国内外专家12次。