金属--有机骨架硫化衍生材料的制备及其光催化产氢性能研究
在当前能源短缺的背景下，探寻可替代的新能源成为人们不断追求的目标。氢能作为燃料具有热值大、零污染的优点。因此，光催化产氢作为一种新兴的技术，对于解决未来可能愈加严重的能源危机具有非常重要的意义。不断探索和开发具备高效催化性能、廉价易得和稳定性强的光催化剂势在必行。金属-有机骨架材料(MOFs)一直以来被作为高效的催化剂或者模板剂而应用于光催化领域。高度可调节的骨架结构以及充分暴露的金属活性位点使得MOFs及其衍生物不断发挥着巨大的催化潜能。同时，合成高效、高稳定性的无贵金属掺杂的CdS复合材料一直是光催化产氢应用研究的热点。在此，本论文主要通过利用具有优良特性的MOFs材料作为模板剂，衍生出一系列含有硫化物助催化剂的CdS复合材料，并研究其在可见光下催化还原水的能力，具体的成果如下: (1)为了将硫化钼和硫化镉半导体有效结合在一起，提出了以Mo-MOF为模板剂的方法，通过加入镉盐形成Mo-MOF/CdMoO4有机无机复合材料，在有机硫源的作用下逐步形成CdS@MoS2双硫化物。CdS@MoS2光解水产氢速率为4.1mmol·g-1·h-1，相较于单组分的CdS材料有了明显的提升。材料的外貌和结构、光电性能被表征，总结出催化性能的提高主要是由于硫化后材料具有大比表面积、高电子迁移率和强电子导电性。高比表面积(107.7 m2/g)意味着在光催化过程中存在更多的活性位点。硫化钼与硫化镉的结合改变了能带位置和内部电子转移特性，从而表现出高的光响应和电荷分离能力。因此，两种硫化物的协同效应促进了最终复合材料性能的提升。这种设计策略也为以后的催化研究提供了一定的指导。 (2)针对于制备具有高效催化活性的硫化镉基材料，设计了一种通过高温高压硫化反应将双金属MOF转化为双硫化物组分的方法。虽然NiS是理想的候选材料，但如何优化NiS与CdS的组合以更好地提高光催化析氢活性仍是一个挑战。本工作以MOFs为前体，通过离子交换策略成功将镉离子和MOF-74-Ni混合得到了MOF-74-Ni/Cd，再进一步合成了CdS@NiS光催化剂。在此，双金属Ni/Cd-MOFs的形成为诱导CdS和NiS之间在纳米尺度上形成良好的异质界面提供了基础，因而有效地促进光生载流子的分离，加速了电子的界面转移。结果表明，CdS@NiS的光催化产氢性能达到42.7mmol·g-1·h-1，并在450纳米下测得最高表观量子产率为13.23％，优于传统简单物理混合方法得到的材料。
金属-有机骨架材料;硫化镉半导体;硫化钼;异质界面;光催化产氢
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
阳庆元
2021
中文
O647.3
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）