探索高效、稳定的光催化剂是实现实用化太阳能光催化降解污染物的永恒追求。具有二维超薄层状结构的ZnInS表现出优异的性能,但已报道的制备方法一般涉及高温、有毒的有机溶剂和有机前驱体以及反应时间长等缺点,这些缺点不仅使样品的大小和形貌难以控制,而且不可避免地造成环境污染。因此,在这些成果的基础上,我们的目标是开发一种简便的工艺。
采用一种简便的无模板化学共沉淀法在160°C下制备了CdIn2S4/ZnIn2S4-1,然后在500°C经管式炉退火得到CdIn2S4/ZnIn2S4-2。以亚甲基蓝(MB)为污染物,研究了CdIn2S4/ZnIn2S4-2异质结在可见光下的光催化性能。为了研究电子-空穴对的分离和迁移,还进行了暂态光电流响应测试和电化学阻抗谱(EIS)测试了光电化学性质。最后,根据自由基淬灭实验结果提出了可能的降解机理。
用扫描电子显微镜对样品的形貌进行了表征,证明CdInS/ZnInS异质结的形成,进而促进光生电子和空穴在复合材料上的转移。采用XPS对CdIn2S4/ZnIn2S4-2催化剂表面元素组成及价态进行了表征,结果表明CdIn2S4和ZnIn2S4之间形成了强烈的异质结构电子相互作用,这种相互作用有助于分离电子-空穴对,从而提高光催化活性。光学表征证明CdInS/ZnInS-2光吸收范围分布在紫外光区和可见光区,可以利用太阳光提供光能,不必像传统光催化那样使用紫外光,节省了能源,更具有实用性。电化学表征显示CdInS/ZnInS-2样品的SPC大于ZnInS和CdInS,表明其界面处的光生e/h对具有更高的分离效率和更少的复合,证实了异质结的形成。交流阻抗谱表明,相比于CdInS和ZnInS,退火后的CdInS/ZnInS-2异质结光生电荷的转移更加容易。为了确定光催化降解过程中产生的活性物种,进行了自由基淬灭实验,表明光生空穴是催化甲苯氧化的直接驱动力。以DMPO为自由基捕捉剂测试了CdInS/ZnInS-2的原位EPR光谱,进一步证明·O和·OH的形成。结果显示DMPO-·O加合物的峰强要大于 DMPO-·OH,说明产生的·O活性物种可能更多。综合以上分析可知,·OH和空穴都参与了催化反应,而·O是CdInS/ZnInS-2光降解有机污染物的关键活性物种。根据实验结果,提出了CdInS/ZnInS-2异质结光催化降解染料的机理。
采用化学共沉淀法合成了CdInS/ZnInS微球,然后500℃退火得到降解性能更好的CdInS/ZnInS异质结。SEM、XRD和XPS分析证实了光催化剂的成功合成。SEM观察到异质结为球状,CdInS/ZnInS-2的表面光电流响应和交流阻抗谱显示其活性显著增强。N吸附-脱附及孔径分布曲线表明其存在典型的介孔结构。在光催化降解亚甲基蓝的反应中,退火后的CdInS/ZnInS催化剂的光催化活性显著提高。反应90 min后,MB的降解率可达96.7%。活性的提高可以归因于光生载体对可见光的吸收和分离效率的提高。重复利用6次后催化剂的效果依旧稳定。淬灭实验和EPR光谱证明,降解体系中产生了活性物种·O在降解过程中起关键作用。根据实验结果,预测了CdInS/ZnInS-2异质结光催化降解污染物的机理。这项工作可能会启发更多硫化物异质结光催化剂的开发工作。
探索高效、稳定的光催化剂是实现实用化太阳能光催化降解污染物的永恒追求。具有二维超薄层状结构的ZnIn2S4表现出优异的性能,不仅具有高能带结构,而且还具有优异的光学性质。此外,ZnIn2S4的制备简单,超薄的ZnIn2S4可以很容易地附着在半导体表面。然而,由于光催化时ZnIn2S4具有较高的电荷复合效率,导致活性很低。半导体之间结合构建异质结的方法可以有效抑制光生电荷的复合。例如,具有层次化的CdIn2S4/石墨烯纳米异质结构已经被制备成作为太阳能制氢的光催化剂。因此,构建异质结是减少光生电荷复合的一种有效途径。
本文采用一种简便的无模板化学共沉淀法在160°C下制备了CdIn2S4/ZnIn2S4-1,然后在500°C经管式炉退火得到CdIn2S4/ZnIn2S4-2。以亚甲基蓝为污染物,研究了异质结材料在可见光下的光催化性能,可见光光源下对亚甲基蓝90min降解率为96.7%。为了研究电子-空穴对的分离和迁移,还进行了暂态光电流响应测试和电化学阻抗谱(EIS)测试了光电化学性质。最后,根据自由基淬灭实验结果提出了可能的降解机制。
探索高效、稳定的光催化剂是实现实用化太阳能光催化降解污染物的永恒追求。采用化学共沉淀法合成了CdIn2S4/ZnIn2S4微球,然后500°C退火得到降解性能更好的CdIn2S4/ZnIn2S4异质结。SEM、XRD、XPS、BET和UV-Vis DRS对样品进行了表征。观察到异质结外貌为球形,具有典型的介孔结构,表面光电流响应和阻抗测试结果显示其活性显著增强。在光催化降解亚甲基蓝的反应中,退火后的CdIn2S4/ZnIn2S4异质结的光催化活性最佳。反应90 min后,亚甲基蓝(MB)的降解率为96.7%。活性的提高可以归因于催化剂对可见光吸收的增强和光生电荷分离效率的提高。对照实验证明,降解体系中产生的活性物种•O2−在降解过程中起关键作用。预测了异质结光催化降解污染物的机制。本研究合成的复合CdIn2S4/ZnIn2S4异质结对制备高效光催化材料具有借鉴意义,并展示了其在降解污染物方面的良好实用性。