摘要
环境污染是现代发展的伴生产物，如何协调好发展与环境的矛盾成为亟待解决的世界难题。光催化技术对污染物的高效降解、分解水产氢、防腐、抗菌等具有一定的应用潜力，也兼具无毒、制备简易、稳定和低成本等优点。过渡金属硫化物(TMDs)纳米粒子性能优异，在光、电、磁、润滑和催化等领域发挥着重要的作用。硫化铜(CuS)作为缺陷型硫化铜(Cu2-xS)的一种特殊存在形式，具有独特的物理、化学和光电性质，其带隙在1.2eV到2.0eV之间，具有一定的近红外光响应特性。本文以CuS为研究切入点，研究了CuS的制备工艺，并成功制备出结晶度良好的CuS颗粒。分别以溴氧铋(BiOBr)和硫掺杂石墨相氮化碳(S-C3N4)为基材，在BiOBr和S-C3N4表面原位生长了CuS，成功制备了CuS/BiOBr和CuS/S-C3N4复合光催化剂，并通过光催化降解实验研究CuS的负载量对BiOBr和S-C3N4的光催化活性的影响，结果发现CuS基复合光催化剂具有优异的可见至近红外光响应能力和在此光谱范围内高效的光催化活性。以下是本论文的主要研究内容和结果： 1.为获得结晶度好、性能优良的CuS光催化剂，采用水热法，在加入表面活性剂的情况下制成了形貌和尺寸较为统一的球状CuS光催化剂。此种制工艺简便，制备成本较低。后续研究表明，所制备的CuS颗粒表现出很好的近红外光响应能力，并在全光谱范围内都有一定的吸收能力。在光催化实验中，通过构建类Fenton反应体系，使CuS对罗丹明B(RhB)和四环素(TC)均表现出较好的光催化降解反应活性，这是由于在光照和过氧化氢(H2O2)同时存在的条件下，Cu2+和Cu+发生相互转化反应，其中Cu+向Cu2+的转化过程中产生具有强氧化性的·OH，从而表现出对RhB和TC的高降解活性。 2采用水热法在BiOBr表面原位生长CuS纳米颗粒，在反应中加入表面活性剂CTAB控制CuS颗粒生长的大小和形状，最终合成出性能优异的CuS/BiOBr复合材料。在其光电性能、光催化活性测试中，适当比例的CuS/BiOBr都表现出比纯BiOBr更优异的性能，这表明负载适量CuS使得BiOBr的光响应和光催化性能都有了很大提升。CuS/BiOBr复合材料属于新型?型高低结材料，其光催化降解机理是BiOBr的导带上的电子迁移到CuS上，而BiOBr价带上的空穴由于内建电场的斥力无法迁移而保留了较高的氧化电位，光生电子和空穴实现了空间上的分离。由于BiOBr的价带位置比OH-/·OH标准氧化还原电位(1.99eVvs.NHE)更正，其价带上的h+能与OH-反应产生·OH，因此高氧化活性的·OH和h+同时作用实现了有机污染物的高效降解。 3.采用水热法在S-C3N4表面原位生长CuS纳米颗粒，将CuS原位生长在S-C3N4表面，通过XRD、TEM、XPS等测试方法对复合物质的结构、形貌及成键情况进行了表征证实了CuS/S-C3N4复合材料的形成。通过对复合材料的光电物理化学性能和光催化活性进行分析后得出，适量CuS的负载能扩展S-C3N4的光响应范围，并且使CuS/S-C3N4复合光催化剂获得在近红外光区域的光催化活性。在对CuS/S-C3N4复合材料的光催化机理分析中，得到了可能的直接Z型异质结机理。即光照产生载流子后，CuS导带上的电子流向S-C3N4价带并与其价带上的空穴复合，而S-C3N4导带上的电子得以分离及保留并与O2反应产生了·O2-，CuS价带上的空穴也得以分离及保留了高的氧化性，并直接参与了TC的光催化降解反应。
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