摘要
在过去的几十年里，日益增长的能源需求和环境污染问题引起了人们的关注，促使人们寻找不同的途径来解决这些问题。而光催化制氢是一种很有前途的技术，它可以将太阳能转化为清洁的氢能源，被认为是缓解能源危机和治理环境污染问题的有效的途径之一。自Fujishima和Honda的开创性工作以来，许多半导体材料已经被证实能利用太阳光有效分解水得到氢气，然而这些半导体纳米材料大多只能响应紫外光(UV)，导致光催化制氢效率较低，因此，开发可见光响应型半导体是主要目标。而Znln2S4和Zn0.5Cd0.5S等光催化剂不仅能响应可见光，还具有优越的光催化制氢性而能被人们广泛研究。本学位论文通过构建异质结对所制备的三元金属硫化物Znln2S4和Zn0.5Cd0.5S进行改性，通过溶剂热法和低温烧结等方法制备了Znln2S4/Au/g-C3N4、MoP/Zn0.5Cd0.5S和Zn0.5Cd0.5S/Au/SrTiO3等复合材料，通过各种表征手段对其形貌、结晶行为和光电化学性质等进行了分析，测试了复合材料的光催化制氢性能并对光催化制氢机理进行了探讨，具体如下： （1）Znln2S4/Au/g-C3N4复合光催化剂 首先通过制备一系列不同纳米Au含量的Au/g-C3N4光催化剂。通过光催化制氢性能测试探究出纳米Au粒子的最佳负载量，当纳米Au粒子负载量为3wt.%时，Au/g-C3N4半导体的光催化制氢活性最高。因此，纳米金的含量被优化为3wt.%左右。再将制备好的Au/g-C3N4半导体通过水热反应与Znln2S4结合得到最终复合材料Znln2S4/Au/g-C3N4。光催化制氢结果显示，Znln2S4/Au/g-C3N4异质结拥有最佳制氢活性，可达972μmol·g-1·h-1。经过对比，是g-C3N4、Znln2S4、Znln2S4/g-C3N4和Au/g-C3N4的7.1、3.3、2.2和1.5倍。因此认为，异质结位于Znln2S4和Au/g-C3N4的表面有助于提高光生载流子的分离效率。尤其是Au纳米粒子的引入，加快了电子的转移，从而提高了半导体的光催化制氢活性。 （2）MoP/Zn0.5Cd0.5S复合光催化剂 首先通过高温煅烧法制备了MoP半导体光催化剂，再通过超声水热法制备出了MoP/Zn0.5Cd0.5S复合材料。采用XRD、SEM、TEM、UV-visDRS、PL等测试手段对所制备材料的结晶度、晶体形貌及尺寸进行了表征、对其光电化学性能和光催化制氢性能进行了测试，最后对复合材料的光催化机理进行了探讨。XRD测试结果表明成功制备了MoP/Zn0.5Cd0.5S复合材料，扫描电镜和高分辨透射电镜的测试结果证明复合材料之间紧密接触。通过UV-visDRS图谱表明复合材料光吸收范围较广，强度有所增加。制氢实验结果证明5wt.%MoP/Zn0.5Cd0.5S复合材料的制氢性能最佳，达到1257μmol·g-1·h-1，是Zn0.5Cd0.5S半导体的4倍。最后通过循环产氢实验测试了所制备材料的光催化稳定性。经过三次循环，光催化制氢性能并无明显下降，说明所制备样品稳定性较好。由此可知，助催化剂MoP的引入能诱导电子转移，提高电子和空穴的分离效率，使更多的电子参于光解水反应，从而提高了光催化活性。 （3）Zn0.5Cd0.5S/Au/SrTiO3复合光催化剂 首先通过柠檬酸还原法制备了一系列负载不同纳米Au粒子的Au/SrTiO3光催化剂，通过制氢实验优化纳米Au粒子的最佳负载量。再通过煅烧法制备了Zn0.5Cd0.5S/Au/SrTiO3复合材料，通过XRD、SEM、UV-visDRS、PL等多种表征手段对所制备材料的结晶性能、形貌尺寸、光电性能以及光催化制氢性能进行了分析。通过研究表明，当Au/SrTiO3的负载量为30wt.%时，Zn0.5Cd0.5S/Au/SrTiO3的光催化制氢量可达到1500μmol·g-1·h-1，约为纯相Zn0.5Cd0.5S半导体制氢量的4倍。通过漫反射测试结果可知Zn0.5Cd0.5S/Au/SrTiO3复合材料对可见光的利用得到了提高，光电流测试以及电化学阻抗测试结果表明复合材料内部光生电子和空穴的复合率大大降低。
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