铟基硫化物(AInxSy)/电纺碳纳米纤维/贵金属三元复合材料的构筑及其可见光催化性能研究

Photocatalysis, has broad prospect of application in the fields of environment and energy, because organic pollutants can be decomposed effectively, and water can be reduced into H2, respectively, by photocatalysts under light irradiation with the photon energy higher or equal to their bandgaps. However, the industrial application of the photocatalysts so far is hindered by their drawbacks of the poor solar-harvesting capability, low quantum yields and so on. To solve the above problems, we herein plan to fabricate the indium-based sulfide (AInxSy)/electrospun carbon nanofibers (CNFs)/noble metal ternary composites. It is expected to obtain a new kind of visible-light photocatalyst with high photocatalytic activity and good performance of separation and reuse by utilizing the advantages of visible-light absorption of AInxSy, the positive synergetic effect between the AInxSy, CNFs and noble metal in the obtained AInxSy/CNFs/noble metal composites and the free-standing nanofibrous network structure of CNFs. In this project, the chemical composition, structure and photocatalytic activity of the ternary composites will be investigated by adjusting the chemical reaction conditions. And, by exploring the interface interaction of AInxSy, CNFs and noble metal in the composite photocatalyst and transfer processing of photoinduced carriers, the mechanism of ternary synergistic system will be revealed. The research of this subject is expected to open a novel route and give an experimental foundation to design new photocatalytic materials that would exhibit excellent performance in the photocatalytic applications.

光催化技术能够直接利用太阳光实现其在降解有机污染物、光分解水制氢等方面的应用，在未来的环境和能源领域中有着极为广阔的应用前景。然而，太阳光利用率低、光量子产率差等问题严重限制了其产业化进程。为此，本项目拟合成铟基硫化物(AInxSy)/电纺碳纳米纤维(CNFs)/贵金属三元复合光催化材料。利用AInxSy良好的可见光吸收特性，以及复合材料中三组份之间积极的协同效应，结合CNFs独特的纳米网毡结构，获得太阳光利用率高、光催化活性强、使用性能良好的新型一维复合光催化材料体系。研究材料制备过程中不同因素对化学组成、复合结构以及光催化活性的影响，探索不同结构体系下AInxSy、CNFs和贵金属之间的相互作用和光生电荷的传输过程，揭示该材料体系的光催化协同作用机制，为设计和合成新型光催化剂及其走向实用化提供新的思路和实验基础。

半导体光催化技术在环境和能源领域有着广泛的应用前景。然而，太阳光利用率低、光量子效率差以及有限的比表面积等缺点限制了其进一步的产业化应用。针对这一问题，本项目的初衷是通过静电纺丝、原位离子还原和水热等方法获得具有高催化活性的可见光催化材料：三元铟基硫化物（AInxSy）/电纺碳纤维（CNFs）/贵金属复合纳米纤维。然而，在材料制备工程中经多次尝试，仍无法实现AInxSy（A = Zn，Cu）纳米片在CNFs上的均匀负载，未能获得理想结构的复合材料。为此，我们及时调整了项目研究内容，并取得了如下成果：(1) 以电纺In2O3纳米纤维为模板和反应物，经原位硫化处理实现了In2S3纳米片次级结构在In2O3纳米纤维上的均匀生长，获得了太阳光利用率高、催化活性强的一维In2S3/In2O3异质结纳米纤维光催化材料。通过调整水热过程中硫源（半胱氨酸）的浓度，可实现由In2O3纳米纤维到In2S3/In2O3异质结纳米纤维再到In2S3纳米纤维的可控制备，为异质结材料的制备提供了新思路。(2) 以电纺In(NO3)3/PAN纳米纤维为前驱体，利用水热方法制备了兼具高光催化活性和分离回收特性的In2S3/PAN柔性复合纳米纤维。研究表明这种通过提前植入晶种的方法，更有利于次级纳米结构的均匀负载，为未来柔性光催化体系的研究提供了新方法。(3) 通过湿纺和一步碳化活化的方法获得了三维开放的氮掺杂多孔碳纤维。该材料具有高比表面积、高氮含量和相互交联的分级多孔碳骨架结构，为电子传输提供快速通道，缩短了离子扩散距离，增加了材料的浸润性和导电性，表现出优异的电化学性能。该制备方法操作简单，设备依赖性低，适合大规模工业化生产。