可见光活性CdS-SiO2的制备及性能.pdf

3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年4 期 可见光活性C d 孓S i 0 2 的制备及性能 谢丹，彭绍琴，李越湘 南昌大学理学院化学系，南昌，3 3 0 0 3 1 摘要用沉淀法制得C d S 纳米粒子，用氨水催化分解正硅酸乙酯制得复合光催化剂C c s i o z ．光还原沉积 法对C d S 表面载P t 。借助X 射线衍射 】a ∞ 、紫外一可见漫反射 U v ．‰ 对催化荆进行表征，用电化学 法测定C d s 的光腐蚀度，以甲酸水溶液的可见光催化制氢反应为探针，评价催化剂活性．结果表明，S i 2 的复合提高了C c l s 的分散性，抑制了C d S 光腐蚀，从而使C d S 的可见光制氢活性大大提高。 关键词C 爵s i Q ；可见光；制氢 中图分类号T B 3 4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 0 4 0 0 3 4 0 3 P r 印a r a t i 衄o fC 【醪S i 0 2 锄di t sP e r f o m 姗c eu n d e r Ⅵs i b I eL i 曲t Ⅺ【E 脑l ，P E N G ‰q i n ，UY u f x i a I l g 决斛t m 螂to f 西髓I i s t r y ，S 由谳o fS d ∞∞，N a n c b l m gI k i v e r s i t y ，N a n 出哪3 3 ∞3 1 tC h i f 曲 A b s 仃嘣C d S 删∞p a r t i d ew a sp r e p a r e db yd e p o s i t e d 蛳t h o dC d s i 0 2w a ss y n t h e s i z e db yC d Smt h et e t 豫e t h y l o r t h o s i l i c a t e T I j 。S h y d r o l y z e d 吼d e rt h e 阻t a l y s i s0 fa m m o n i u 玑P t 懈1 0 a d e d0 n t oC d Sb yp h o t o d e p o s i t i o n m e t h o d ．T h es 锄p l 鹤w e r ec } 蛐隰c t e r i z e db yX R Da n dU v ．Ⅵst ∞h 1 1 i q u 鹤，a n dp h o t o c o r r o s i o n0 f 髓m p l 酷、张r em o m t o r e du s i n ga ne l e c t r o c h e I l l i s t r yn 坨也o d ．T h ep h o t o c a t a l ”i c 础v i t yo fc a t a l y s tw 弱i n v ∞t i g a t e dt h _ 0 u g hap h o t o 一 ∞t a l y t i cH 2p r o d u c t i o nf r o mf o n I l i ca c i ds o l u t i o nu n d e rv i s i b l el i g h ti r r a d i a t i o n 弱ap r o b er e a c t i 吼T h er e s u l t Si n d i c a t e dt h a tt h es i Qo o 撕n g s 豇山孤l c e dt h ed i s p e r 鞠n c y 孤dp r e 眦e d p h o t o c o r r o S i o no fC d Sm m o p a r t i d e s ，t h ea c t i 、，i t yo f ‘H Sf o rp h o t o c a t a I y l i ch y d r o 曙e ng e n e r a t i o nu n d e rv i s i b l el i g h ti m d i a t i o nw a si 如【p r o v e dg r e a t l y ． 磁吣C 黔S 如；Ⅵs i b l e - l i g h t ；H 2p r o d u c t i o n 半导体光催化在能源和环境方面都有广泛的应 用口_ 2 ] ，目前广泛研究的光催化剂中，T i 0 2 、c d S 、z n 0 等成为最引人注目的几种。T i Q 和Z r l o 能隙较宽， 光吸收仅限于紫外区。由于可见光占了太阳光总能 的4 5 ％，研究高效可见光活性的光催化材料是非常 有必要的。C d S 能隙较窄，禁带宽度在2 ．4e V 左右， 能够被可见光激发，且制备成本低廉，工艺简单，广泛 地应用于光催化领域。由于在光催化反应中，C 麓S 的 阳极分解电势仅是O ．3 2V ，很容易发生光腐蚀现象， 降低了光催化效率，限制了其实际应用。S i Q 具有良 好的分散性和耐腐蚀性，通过复合S i Q 可降低C d s 在光催化反应中发生光腐蚀，从而提高C d S 的光催化 效率。 本文用沉淀法制得C d s 纳米粒子，用氨水催化 分解正硅酸乙酯制得复合光催化剂C 挎S i 0 2 。以光 催化分解水制氢反应为探针，研究了催化剂的活性。 1 实验部分 1 ．1 催化剂的制备 将O ．4m o l ／LC d S 0 4 溶液和O ．4r n o l ／LN a 2 S 溶 液均匀混合，室温下搅拌lh ，将沉淀过滤、洗涤，6 0 ℃ 真空干燥，研磨。N 2 气氛下，管式炉中5 0 0 ℃焙烧 基金项目罾家9 7 3 计划基础研究项目 2 0 0 3 a 弛1 4 5 0 3 ；江西省自然科学基金项目 0 6 2 0 0 4 7 ，江西省教育厅基金资助项目 [ z 0 0 6 ] 2 4 作者简介谢丹 1 9 8 3 一 ，女，硬士研究生． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年4 期 3 5 1 h ，自然冷却至室温，得样品C d S 。 2 ．OgC d S 粉末中加入一定量氯铂酸溶液，使得 P t 负载量为1 ％，再加浓度为o ．2 5I n o l ／L 的乙酸溶 液1 0 0m L 。超声振荡1I n i n ，在氮气气氛中，以2 5 0 W 的高压汞灯为光源，磁力搅拌，光照3 0I I l i n ，过滤、 洗涤沉淀，6 0 ℃真空干燥，得样品n C d S 。 取0 ．3gP t - C d S 催化荆分散于1 0 0m L 水中，加 入1 ．5m L 浓度为0 ．0 5 m o l ／L 正硅酸乙酯的异丙醇 溶液，用浓N H 。H 2 0 调节p H 8 ，4 0 ℃恒温水浴槽 中搅拌4h ，过滤、洗涤，6 0 ℃真空干燥，得样品P t ． C d 孓S i Q 。 1 ．2 催化剂的表征 Ⅺ国谱图采用多功能X 射线衍射仪测得；紫外 一可见漫反射光谱图由U 3 3 1 0 型紫外可见分光光度 仪测得；氢气采用∞1 0 2 M 气相色谱仪分析；比表面 积采用s T - 0 8 比表面仪测定；样品的光腐蚀度采用 L K 9 8 B I I 电化学分析系统分析。 1 ．3 光催化反应 光催化反应光源为4 0 0W 高压汞灯，通过水冷 却夹套去除其红外光部分，4 2 0n m 滤光片去掉紫外 光，反应在一个约1 9 0m L 带平面光窗口的P y r e x 烧 瓶中进行。甲酸溶液1 0 0m L 含甲酸5m L 。催化剂 用量为o ．0 4g 。反应前用超声波振荡1 瓶n ，通高纯 氮气3 0r n i n ，反应在室温下进行，通过磁力搅拌使催 化剂保持悬浮状态。反应气相产物氢气用气相色谱 仪分析。 1 ．4 光腐蚀度分析口1 用电化学阳极溶出伏安法测定C d 2 的含量。玻 碳电极镀汞作工作电极，铂电极作对电极，饱和甘汞 电极 s ’E 作参比电极。反应液总体积为v o 1 1 1 L ， 从中准确量取v l m L 进行测量，采用标准加入法外 推求出样品中镉离子的含量m x m g 。被腐蚀C d s 的含量M n 培 由式 1 计算得出 肛嗽瓷黼 1 2 结果与讨论 2 ．1 催化剂制氢活性比较 图1 为催化剂P t - C d S 和P t ．C d S i 0 2 的可见光 制氢量随时间变化曲线。从图1 可以看出，经过1 0h 的光催化反应，P t ．C 挎S i Q 光催化活性较P t C d s 提 高了4 7 ％，说明复合S i Q 有效地提高了C d S 光催化 活性。 2 ．2 Ⅺm 分析 图1 样品可见光制氢量随时间变化曲线 F 喀1n 眦咖骶o f 玛酬鲥衄f ．m m w a t 仃f ．o r 鞠m p I 岱 图2 为样品的X R D 的测试结果，由图2 可以看 到，C d S 为六方晶型，衍射峰宽度相对较窄，说明在 N 2 气氛下，5 0 0 ℃高温处理可以得到结晶度较好的六 方铅锌矿结构。一般来说，光催化制氢研究中六方相 C d S 较立方相活性更好[ u 。样品中C d S 的体相结构 几乎一样，说明复合S i 0 2 没有改变C d S 的晶型。根 据S c h e r r e r 公式计算出P 卜C d S 和n C 挎S i 0 2 的平 均粒径分别为3 5n r n 、3 8 ．9 啪，C d s 复合S i Q 后粒径 略有增大，说明S i 0 2 具有分散作用，有利于提高C d s 光催化活性。 2 03 04 05 06 07 0舳 四， 。 图2 不同样品的x - 射线衍射谱图 F i 孚2 Ⅺmp a t t e n 塔o fd i 恤咖t 剐n p I e s 2 ．3 【r 弘v i s 吸收光谱分析 图3 为样品P t - C d S 和P t - C d S S i 0 2 的紫外一可见 漫反射图谱。从图3 可以看到，复合S i Q 后，C d s 对 可见光的吸收有所减弱。这可能是由于复合的S i Q 层会阻碍G d S 对光的有效吸收造成的，说明过量的 S i 0 2 包覆不利于C d S 吸收可见光。 2 ．4 光腐蚀度分析 在空气中。将o ．0 4g 催化剂置于1 0 0m L 水中， 可见光照1h 后取滤液测试C d 2 ’的含量，P t - c d S 和 P t _ C d 孓S i 0 2 的光腐蚀程度分别为1 4 ．5m g 和8 ．9 3 I n g ，说明复合S i Q 可以有效地抑制C d S 光腐蚀，提 20置_，口o『；Io}o工 万方数据 3 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年4 期 高催化剂的稳定性，从而提高了C d S 的光催化活性。 图3P t - C d S 和P t - C d S i o l 紫外一可见吸收光谱图 F i 孚3U v - V i sa b s o r p 6 ∞s p ∞t 强o fP t ．c ‘璐 a I I dP t - C d 争S i Q 光腐蚀反应过程如下∞ C d S Q 』■C d 2 鼢2 3 结论 C d S 表面包覆适量的S i Q 后，提高了C d S 的分 散性，有效地抑制C d S 粒子光催化过程中发生光腐 蚀，促使光生电子和空穴分离，从而提高了C d S 可见 光制氢活性。但过量的S i Q 包覆不利于C d S 吸收可 见光。 参考文献 [ 1 ] J i n Z L ，z h a n g XJ 。L u G x ，e ta 1 ．h n p r o v e dq 嫩n t u m 州d f o rp h o t o 衄t a l y t i ch ”i f o g e ng e n e m t i o nm 妇、，i s i b l el i g h ti r 一 强d i 8 啦no v 町∞s i n 鲫1 s i t i z e dT i Q I 肼瞰i g a t i o no fd i f f e - e n t n o b l e 豫t a l1 0 a d h l g [ 刀．J ．M 0 1 ．c a t a l ．A C h 锄．2 0 0 6 ， 2 5 9 2 7 5 2 8 0 ． [ 2 ] H o f f r n a nMR 。M a r t i nST ．E n 、，i r o m 珊虬1 正a p p l i ∞t i o r 塔 跚【I l i ∞r l d u c t o rp h o t o c a t a l y s b 0 ] ．C K 瓶R e 、，，1 9 9 5 ，9 5 6 9 9 6 ． [ 3 ] 杜娟。李越湘，彭绍琴。等．用水热、溶剂热方法制备纳米 c d S 粒子及其光催化性能口] ．功能材料，2 0 0 5 ，3 6 1 0 。 1 6 0 3 一1 6 0 6 ． [ 4 ] 1 b r i n 的t oT ，R e y ∞JP ，M 啪k a r n jsY ，da LL a y e r - 妒 I a y e ra c c 懒u l a t i o no fc a d I n i u ms u l f i d ec o r } s d i c as h e U 髓∞p a f t i d e sa r l ds 妊s e l e c t i v ep h o t o e t c h i l l g 童om k ea d i u s t a b k v o i ds p a c eb e t w 鲍l ∞r ea n ds h e l l 口] ．J ．R l o t o c h e n L 矾I o t o b i 0 1 ．A a 弛m ，2 0 0 3 ，1 6 0 6 9 7 6 ． [ 5 ] B u t t yJ ，P e y g h a r I I b a r i a nN ．R o a mt 髓巾e r a t u r eo p t i c a lg a ．m hs 0 卜g dd e 咖e dC d sq t 瑚t u md o t s [ J ] ．A p p LP h 黔I _ 七t t ．， 1 9 9 6 ，6 9 3 2 2 4 3 3 2 6 ． 万方数据