石墨烯/Ni基助催化剂共修饰硫化物光催化剂的合成及产氢机理

Loading graphene or non-noble metal cocatalyst on the surface of sulphide semiconductor is a significant and efficient way to improve its visible-light-driven photocatalytic hydrogen production activity. This project mainly focuses on the preparation of graphene/Ni-based cocatalyst modified solid solution sulfide photocatalysts, and the study on their photocatalytic mechanism for visible-light-driven hydrogen production. The study includes: (1) Controlled synthesis and characterization of graphene/Ni-based cocatalyst modified sulfide photocatalysts will be carried out. (2) The visible-light-driven photocatalytic hydrogen production activity and stability of the prepared photocatalysts will be evaluated, and the interrelationship between the characteristic and photocatalytic performance will be carefully investigated. (3) The photogenerated charge transfer pathway and the synergistic effect of graphene and Ni-based cocatalyst will be discussed in detail through first-principles calculation and photoelectric chemical testing to reveal the internal photocatalytic mechanism. The implementation of this project will provide both practical and theoretical guidance for the development of highly efficient, low cost and environmental-friendly photocatalyst materials for visible-light-driven hydrogen production, which is of great significance for the promotion of green and sustainable solar energy conversion technologies.

在硫化物半导体表面修饰石墨烯或非贵金属助催化剂是提高其可见光光催化产氢性能的重要途径之一。本项目拟设计和制备石墨烯/Ni基助催化剂共修饰硫化物半导体光催化材料，并研究其可见光光催化分解水产氢性能及反应机理。研究内容包括：(1) 石墨烯/Ni基助催化剂共修饰硫化物固溶体复合光催化剂的可控制备及性质表征；(2) 评价所制备产物的可见光光催化产氢活性及稳定性，考察产物的组织结构性质与产氢性能之间的构效关系；(3) 通过第一性原理计算及光电化学测试分析光生电荷传输途径，研究石墨烯与Ni基助催化剂的协同作用，揭示可见光产氢反应机理。本项目的实施与完成可以为开发高效、价廉、环保的可见光响应光催化产氢材料提供实验依据和理论指导，对推动绿色可持续太阳能转化技术而言具有重大研究意义。

在金属硫化物半导体表面修饰助催化剂是提高其可见光光催化性能的重要途径之一。本项目设计和制备出多种单元或双元助催化剂修饰的金属硫化物半导体复合光催化材料，其中助催化剂包括Ni(OH)2、石墨烯、碳纳米管、碳量子点、Cd(OH)2、CeO2等，金属硫化物半导体材料包括CdS、ZnIn2S4、CaIn2S4等。通过对材料组成和性能的优化，获得了显著增强的光催化氧化/还原反应活性，并从多个角度对所设计体系的光催化反应机理进行了探究，建立了复合光催化剂的结构性质与光催化性能之间的构效关系。主要研究结果为：(1) 可以通过一步碱热法制备Cd(OH)2修饰CdS纳米棒，Pt与Cd(OH)2的原位还原产物Cd0可协同辅助CdS光生电子的矢量传输，显著增强CdS可见光光催化产氢性能；(2)纵向比较不同维度碳材料对ZnIn2S4光催化产氢性能的影响，发现石墨烯的二维结构形成空间位阻，阻止ZnIn2S4纳米片自组装形成花球，从而增大了有效暴露面积，为产氢反应增加了活性位点；(3) CeO2立方块可以紧密嵌入ZnIn2S4花球中，不仅有利于ZnIn2S4光生电子在空间上的转移，而且增大催化剂的比表面积，因此有效增强了ZnIn2S4光催化还原CO2制备CH3OH的效率。在本项目的资助下，目前已发表SCI论文6篇，申请国家发明专利2项，培养硕士研究生1名。本项目的实施与完成为开发高效、价廉、环保的可见光响应光催化材料提供了一定实验依据和理论指导，对推动绿色可持续太阳能转化技术而言具有较大研究意义。