金属硫化物负载共价有机聚合物的制备及光催化性能研究

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可见光光催化技术作为新兴的绿色技术,被认为是最有希望利用太阳能进行能源转换的方法之一。在光催化技术中,开发高效的光催化材料一直是该领域的研究热点。在众多的光催化材料中,有机半导体材料因其具有独特的能带结构、可控性和化学稳定性等优点,被认为是一种很有发展前景的光催化剂。共价三嗉有机聚合物(CTFs)作为一种新型的有机半导体材料,由于其可调节的化学功能和结构特性引起了人们的广泛关注。在本课题组前期的研究中,通过对合成方法进行优化,得到了一种高催化活性的共价三嗪有机聚合物(CTF-T1)。但是由于光响应范围窄、光生载流子复合率高等问题,使得共价三嗪有机聚合物的光催化活性不够理想。因此,本论文选取非贵金属硫化物作为助催化剂对共价三嗪有机聚合物进行负载改性,以期获得具有高效性能的光催化材料。以可见光下光解水产氢及还原CO2为反应探针对催化剂的光催化活性进行探究,并对其形貌结构、物理化学结构及光电化学性质进行详细表征,旨在揭示影响光催化性能的关键因素及可能的反应机制,为构筑具有量子尺寸效应及表面结构效应的高效光催化体系提供依据。本论文主要内容与结论如下:(1)以CTF-T1为结构框架,在纳米级尺度上对其表面进行负载修饰。通过精确控制MoS2量子点的负载量实现CTF-T1材料的高效光解水产氢。结果显示:当MoS2负载量为0.6 wt%时,样品具有最高的氢气生成速率,约为母体CTF-T1样品的8倍。通过光电流以及电化学阻抗结果分析得知:MoS2负载于CTF-T1上有效降低其内部光生载流子复合率,提高了光生电子在催化剂之间的迁移速率,进而提高其光催化产氢活性。(2)采用沉淀法成功构筑NiS负载的CTF-T1光催化剂,并对其进行光催化还原CO2活性测试。结果显示负载过后的样品在可见光下光催化还原CO2性能提升到29.9μmol h-1g-1。通过表征分析得知NiS的负载使得材料的比表面积增大,这可以暴露更多光催化还原CO2的活性位点;同时CO2吸附能力的增强使更多的CO2分子可以参与到光催化转化过程中。(3)通过光还原法成功构建一种集高量子效率和宽光谱响应于一体的新型无机/有机复合材料CdS/CTF-T1。在可见光照射下,其光催化分解水产氢速率最高可达到27.4 μmol h-1。研究发现CdS的负载提高了样品对可见光的利用率,这可使材料产生更多的光生电子参与到水的还原。通过TEM得知CdS以量子点的形式平铺生长于CTF-T1表面,这有益于形成良好的表面结构,进而有效促进复合材料中光生载流子的分离迁移。
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