ZIF--8衍生的Zn0.5Cd0.5S结构调控及其光催化产过氧化氢性能研究
H2O2是世界上最重要的100种化学品之一，在有机合成、废水处理、消毒、纺织和造纸工业等领域被广泛应用。理想条件下，光催化产H2O2仅以H2O、O2作为原料，利用光催化剂在太阳光下生产H2O2,有望实现H2O2可持续、低成本及高效率的现场制备。ZnxCd1-xS是将CdS和ZnS结合起来，通过调整Zn/Cd含量比值形成的固溶体。在众多光催化产H2O2材料中，Zn0.5Cd0.5S因其合适的能带结构、较宽的光吸收范围、简单的合成方法等优点受到了广泛关注。然而，Zn0.5Cd0.5S光生电荷分离性能差，比表面积小是导致其光催化效率低的几个重要原因。Zn0.5Cd0.5S纳米化是众多改性策略中最直接和有效的方法。为了制备Zn0.5Cd0.5S纳米颗粒并解决其团聚及稳定性不足的问题，利用ZIF-8高比表面积,开放的孔隙结构，结构中金属节点Zn呈规则排列等特点，以其为模板进行处理原位制备Zn0.5Cd0.5S纳米颗粒，在光照下测试了其光催化产H2O2的性能，并研究相应的反应机理。 使用ZIF-8作为前驱体。通过热氧化、硫化及Cd2+离子交换三个步骤，成功的在碳氮（NC）骨架上原位生成粒径在20nm以内的Zn0.5Cd0.5S纳米颗粒（Zn0.5Cd0.5S/NC）。生成的Zn0.5Cd0.5S/NC比表面积为161.5m2g-1,是体相Zn0.5Cd0.5S的8倍，大大的增加了与反应物的接触面积。小尺寸的光催化材料有利于自身光生电子和空穴对的分离和转移，Zn0.5Cd0.5S/NC的光吸收范围也得到了扩展。用乙醇作为空穴清除剂，可见光照射2.5h,H2O2生产速率达到了165.6μmol/L·h-1,是体相Zn0.5Cd0.5S的近1.6倍。自由基捕获实验证明Zn0.5Cd0.5S/NC在光催化产H2O2的过程为单电子的O2还原途径。 为进一步丰富Zn0.5Cd0.5S的表面结合位点，可见光的利用能力及电荷分离效率，我们继续使用ZIF-8作为前驱体，以组装的聚苯乙烯小球为硬模板，成功的在三维有序大孔碳氮结构（3DOMNC）上原位生成Zn0.5d0.5S纳米颗粒（3DOMZn0.5Cd0.5S/NC）。3DOM材料互连的孔结构有效的扩大了比表面积（272.6m2g-1),丰富了活性位点，此外，3DOM有序孔结构可以导致多重光散射，这使得3DOMZn0.5Cd0.5S/NC拓宽了光吸收范围（扩展到了600nm）。在可见光下，使用乙醇作为质子源，平均产H2O2速率达到了323μmol/L·h-1,是体相Zn0.5Cd0.5S的近2.4倍。自由基捕获实验证明，可见光照射3DOMZn0.5Cd0.5S/NC上H2O2形成路线是两步单电子路径（O2→·O2-→H2O2）。此外还研究了不同醇基底光催化产H2O2的性能。 本论文分别从原位Zn0.5Cd0.5S纳米化与三维有序大孔结构角度强化Zn0.5Cd0.5S光催化反应中的ORR,实现选择性的两电子ORR产H2O2，大幅提高了Zn0.5Cd0.5S体系光催化产H2O2效率。研究成果为环境光催化、H2O2生成和氧还原的研究和应用提供了理论支撑和技术参考。
光催化剂;ZIF-8;Zn0.5Cd0.5S;过氧化氢;光催化性能
郑州大学
硕士
环境科学
刘永刚
2023
中文
O643.36;TQ116.2
2023-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）