热解法制备Cd0.5Zn0.5S/石墨烯复合物及其可见光催化制氢研究
摘要
1972年,Fujishima等在半导体TiO2电极上发现水的光电催化作用开启了利用光催化分解水制氢的研究.其中,CdxZn1-xS固溶体由于禁带宽度的可控性及良好的可见光催化制氢性能受到广泛的关注.为了抑制催化剂中的光生电子和空穴复合,提高制氢效率,传统的做法是在催化剂上负载Pt,Ru,Rh等贵金属.而近年来,研究者发现,具有高功函数(4.42 eV) 的石墨烯在与半导体形成复合物时,能从半导体的导带接收光生电子并通过2D平面快速导出,可以有效抑制光生电子和空穴的复合,增强半导体的光催化性能.本实验利用热解法在300 ℃,N2氛围下制备了不同石墨烯添加量的Cd0.5Zn0.5S/石墨烯复合可见光催化材料(GR-x wt%)。采用X射线衍射(XRD)及透射电镜(TEM)对上述制备的材料结构形态进行表征并以Na2S和Na2SO3的混合溶液为牺牲剂,考察催化剂在可见光下的光催化活性。实验结果表明,GR-0%、GR-0.25wt%、GR-0.5wt%、GR-1.0wt%、GR-1.5wt%和GR-5.0wt%的可见光催化5 h平均制氢速率分别为1132、1631、1794、2107、1313和1009 μmol·h-1·g-1。当石墨烯添加量低于1.0 wt%时,复合材料的可见光催化制氢速率首先会随着石墨烯添加量的增加而出现加快的现象,这很可能由于石墨烯本身优异的导电性能使得光生电子能快速导出,从而抑制其与光生空穴的复合率,从而提高复合催化剂的光催化制氢活性。然而,当添加量超过1.0 wt%时,产氢速率便开始下降,至5.0 wt%时,复合材料的催化产氢速率低于不添加石墨烯的材料,其原因有两方面。过量的添加石墨烯会遮挡住光,阻碍Cd0.5Zn0.5S受激发产生光生电子和空穴,从而使得复合材料的光催化制氢能力下降;如果石墨烯加入过量,很可能会覆盖Cd0.5Zn0.5S表面的活性位点,使得迁移到表面的空穴无法及时与牺牲剂反应,没有及时消耗的空穴富集在催化剂表面会增加与光生电子的复合率,从而抑制复合材料的催化活性。