NiO/ZnxCd1-xS的制备及性能研究文献综述

 2021-09-25 08:09

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1. 全球能源现状

随着全球经济的飞速发展,化石燃料日趋枯竭,越来越严重的能源危机和燃烧化石燃料引起的环境破坏日益受到人们的关注,引发了人们对于可再生的环境友好型能源的追求[1],因而以氢能为代表的新能源科学与技术逐渐成为研究的焦点[2]。氢能作为一种清洁的可再生能源,具有燃烧值高、储量丰富、无臭无毒、使用安全等优点,极有可能替代汽油为未来交通工具提供动力。虽然氢是宇宙中最富有的元素,但是在地球上并没有直接可利用的氢气资源。目前制氢的主要方法包括:热化学法制氢、电化学分解法制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢和生物制氢等。自1972年Fijishima和Honda报道了利用TiO2半导体电极实现光分解水产生氢气和氧气以来,通过光催化剂分解水得到清洁可循环的氢气受到了广泛的关注[3]

2. 光催化分解水制氢简介

从能源和环境的角度来说,太阳能光催化分解水制氢是太阳能制氢的最佳途径之一。光催化分解水制氢是利用能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射半导体,而在半导体的导带和价带上分别形成光生电子和光生空穴,光生电子具有强的还原性,光生空穴则具有很强的氧化性,利用这种光生电子-空穴对的氧化还原性能可分解水制得H2和O2。在光催化反应过程中,向水中加入适当的电子给体作牺牲剂,不可逆地消耗空穴,可以提高产氢效率,并抑制光生电子和空穴的复合。将高效光催化制氢体系研究与有机污染物治理结合可在提高太阳能制氢效率的同时实现低成本污染物治理,也值得深入研究[4]。总之,光催化技术由于具有低成本、高效率和完全矿化污染物等优点而成为一个重要的研究领域[5]

3. CdS光催化剂

半导体光催化剂在光照下可以将水分解成氢气和氧气,将丰富的太阳能转化为化学能,具有环保、清洁、经济等优点,是当前解决能源匮乏和环境污染的新出路[6-7]。半导体光催化剂的种类繁多,如TiO2、CdS、RuO2、ZnO、Fe2O3、SrTiO3和Sr3Ti2O7等。在众多光催化剂中,TiO2和SrTiO3等氧化物半导体具有性能稳定、廉价、无毒等特点,但这些半导体材料带隙较宽,仅吸收紫外光,太阳能利用率低[8]

CdS是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,具有较小的禁带宽度(2.42 eV),能够吸收波长小于520nm 的紫外和可见光,而且它的导带电极电势比水分解生成氢的电极电势更负,能够被可见光激发而实现光解水制氢[9]。另外,CdS具有较负的导带带边,因此被认为是一种在可见光催化方面具有一定应用潜力的半导体光催化剂[10],目前已经广泛应用于发光器件、光电池、传感器和光催化等许多领域。此外,用硫化镉薄膜为基底做成的光导材料,具有较好的色谱灵敏度和耐用性,在发光器件和传感器等方面也有着广泛的应用前景[11]

纳米材料因具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等,而显示出不同于晶态材料的光电磁性质。与普通尺寸的CdS材料相比,纳米CdS颗粒具有更大的比表面积和更强的吸附能力,有望进一步提高CdS的光电转换效率和光催化性能。特别是若能掺杂部分无机、有机、金属或者磁性材料而制备出复合纳米材料,则其光电性能和催化活性将得到大大的改善[12-13]

尽管CdS有较适合光解水制氢的物理和化学性质,但其光催化性能受很多因素影响,如CdS的表面结构、形貌和结晶度等。而且CdS很容易发生光腐蚀,所谓光腐蚀就是光照下CdS产生的光生空穴会和CdS反应生成Cd2 离子和单质硫的反应,光腐蚀之后不仅催化活性降低甚至失去催化活性,而且产生的Cd2 离子有毒,会对人体的呼吸道产生刺激,造成嗅觉丧失等病症;若食用了含有Cd2 离子的水,还会损害肝或肾脏。

因此,近年来,关于CdS 的研究主要集中在抑制CdS 的光腐蚀和提高CdS 的光催化性能两个方面[14]

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