CdS-凝胶体系光催化水分解产氢和抗光腐蚀机理研究

Efficient conversion of solar energy into hydrogen fuels through photocatalytic water splitting on photocatalytic semiconductor is of great importance for the future of clean and sustainable energy. However, it still remains a great challenge to develop highly stable and efficient as well as easily recyclable visible-light-driven photocatalysts for water splitting for hydrogen evolution. Here, the net structure of hydrogels is used to prepare CdS nanoparticles loaded photocatalytic systems CdS-Gel for water splitting to produce hydrogen. The method and conditions for preparing CdS-Gel will be investigated in order to form stable and well dispersed CdS nanoparticles in CdS-Gel and realize effective control in structure, composition and properties. The project will focus on the study of relationships among structure, composition and photonic properties, especially function of gel net, based on which the mechanisms for photocatalytic water splitting and anti-photocorrosion can be enucleated. On the basis of the above theory results, high efficient CdS-Gel and integrated reactors for hydrogen evolution will be designed and fabricated by adding other cocatalysts, paving the way for practical application of CdS catalyst in water splitting for hydrogen evolution. The resulting theories can be used to guide the design and preparation other photocatalysts of sulfide semiconductor to obtain high efficiency and stability, and drive the rapid development of this area.

利用太阳能和半导体催化剂光催化水分解产氢，提供可再生清洁能源具有重要的应用价值和社会效益。但开发集高催化效率、高稳定性和易于循环使用等优点于一身的可见光催化体系仍是具有挑战性的艰巨任务。本研究利用高分子水凝胶的网络结构构建载有CdS纳米粒子的光催化体系CdS-Gel,建立相应的CdS-Gel制备技术, 以获得稳定分散的CdS纳米粒子，实现对CdS-Gel组成、结构和性能的调控。重点探索CdS-Gel组成、结构、组分间相互作用与光催化性能的相关性，尤其是CdS-Gel中凝胶网络结构的作用，从而探明CdS-Gel光催化产氢机理和CdS抗光腐蚀机理。以上述理论研究结果为指导,通过添加共催化剂等设计高活性的CdS-Gel光催化剂和集成化反应器，为CdS光分解水产氢催化体系的实际应用奠定基础。上述研究成果可推广到其它硫化物半导体光催化剂，指导催化剂的设计和制备，带动该领域快速发展。

利用太阳能和半导体催化剂光催化水分解产氢，以提供可再生清洁能源具有重要的应用价值和社会效益。但开发集高催化效率、高稳定性和易于循环使用等优点于一身的可见光催化体系仍是具有挑战性的艰巨任务。硫化物半导体材料具有光催化活性，其中的CdS格外引人注目，因为其禁带宽度为2.4 eV，可利用太阳光中的可见光部分进行光催化产氢。但CdS催化产氢在迈向实用过程中仍需克服几个关键问题: 光生载流子的再结合、光腐蚀、光催化效率与使用后分离的协调统一。为此，本研究利用高分子水凝胶的网络结构构建载有CdS纳米粒子的光催化体系CdS/HGel,建立了相应的CdS/HGel制备技术, 以获得稳定分散的CdS纳米粒子，实现了对CdS/HGel组成、结构和性能的调控。重点研究了CdS/HGel组成、结构、组分间相互作用与光催化性能的相关性，尤其是CdS/HGel中凝胶网络结构的作用。发现凝胶的单体组成和单体性质影响凝胶的透光性和凝胶溶胀性，进而影响CdS/HGel的光催化产氢速率。通过对比分析PAM和CdS/HGelPAM的XPS谱图，发现CdS/HGelPAM体系在399.8 eV结合能处出现了一个新峰，它归因于R-NH2Cd2+的形成，说明在 CdS/HGelPAM体系中CdS纳米粒子与载体PAM之间有相互作用。同样，在CdS/HGelPDAM2催化体系中也发现类似现象。CdS/HGel光催化产氢速率最高可达10.35 mmol·g-1·h-1，是纯CdS 的278 倍（37 μmol·g-1·h-1）。这可归于下列原因：1）凝胶有较松散的结构，因此可提供更多的CdS 纳米粒子结合点；2） 凝胶的松散的结构和和亲水性使得牺牲剂能快速结合光生空穴，降低了电子-空穴再结合的几率；3）N-Cd 上的孤对电子能快速吸引光生空穴，同时排斥光生电子，抑制了电子-空穴的再结合，从而提高了光催化活性；4) N-Cd 的形成改变了 CdS 的带隙，从而影响CdS的光学活性。CdS/HGel不仅催化活性高，而且稳定性也优于CdS，因为N-Cd 上的孤对电子能快速吸引光生空穴，并迅速地被牺牲剂捕获，防止了CdS的光腐蚀。同时，探索了凝胶微球和纳米球负载CdS纳米粒子的光催化产氢效果，发现纳米球负载CdS纳米粒子的产氢速率最高可达15.21mmol·g-1·h-1，这将为集成化反应器构建提供基础。