华工环境学院氢装上阵

Cu改性碳纳米管对Cd0.5Zn0.5S光催化

产氢性能强化研究参赛队伍：氢装上阵队团队成员：卢勇宏李跃武祝雅杰

杨林阮博研究背景1研究思路2材料制备3 材料表征与产氢测试4相关机理研究5目录研究背景1研究背景1972年，日本学者Fujishima等在半导体TiO2电极上发现了水的光电催化作用，从而开启利用太阳光催化分解水制氢的研究。只要所用半导体材料的禁带宽度大于1.23eV，用波长为1000nm以下的光来激发半导体就有可能将水分解。光催化分解水的关键步骤在于迁移到半导体表面的电子与空穴可分别与水发生氧化反应和还原反应。碳纳米管可以作为n-型半导体的光敏剂且能有效阻碍电子空穴对的复合，从而增强光催化剂的催化性能研究思路2研究思路材料制备材料表征产氢性能评价机理研究材料制备3等摩尔醋酸锌、醋酸镉氢氧化钠硫脲相同条件下对比产物产氢性能碱化沉淀水热反应产物纯化最佳制备条件Cu改性碳纳米管最佳掺入改性碳纳米管的量强化机理研究材料制备材料表征与产氢测试4Cd0.5Zn0.5S表征与产氢4.1

Cd0.5Zn0.5S材料表征——XRDSampleCZS-0CZS-0.5CZS-1.0CZS-1.5CZS-2.0Crystallinesize(nm)25.958.288.257.909.14Cd0.5Zn0.5S是以立方晶相与六方晶相共存的固溶体形式出现

Cd0.5Zn0.5S材料表征——SEM水热法制备的硫化锌镉微米球，微球表面不光滑，有小颗粒存在，也有可能是由这些小颗粒团聚在一起形成的团簇，但是界面不清晰碱化共沉淀-水热法制备的硫化锌镉，样品中加入相对于S（Zn、Cd）为0.5的氢氧化钠，颗粒有明显变小的现象

Cd0.5Zn0.5S材料表征——HREMCZS-0CZS-0.5d110=0.33nmd111=0.31nm锯齿状条纹

Cd0.5Zn0.5S材料表征——BETSBET(CZS-2.0)=90.797m2/gSBET(CZS-1.5)=78.833m2/gSBET(CZS-1.0)=68.020m2/gSBET(CZS-0.5)=38.990m2/gSBET(CZS-0)=0.437m2/gCZS-0几乎无孔出现，氢氧化钠加入量越大，所得材料比表面积越大

Cd0.5Zn0.5S材料表征——DRS氢氧化钠加入量的增加使样品的吸光率下降，且对光的吸收边产生蓝移现象样品CZS-0CZS-0.5CZS-1.0CZS-1.5CZS-2.0Eg（eV）

2.232.262.312.292.36

Cd0.5Zn0.5S光催化产氢性能评价可见光催化制氢活性顺序：CZS-0.5＞CZS-2.0＞CZS-1.0＞CZS-1.5＞CZS-0CZS-0.5的5h平均产氢速率为2106μmolh-1g-1本节小结预先碱化对Cd0.5Zn0.5S光催化性能的增强机理主要在于晶体尺寸的减小、晶格堆叠错位的出现以及比表面积的增大。而氢氧化钠加入量的增加，样品对光的吸收率也随之降低，禁带宽度也变大，这在一定程度抑制了样品的可见光催化活性。综上所述，利用碱化水热法制备催化剂时，氢氧化钠投加量为n(NaOH)/n(Cd2++Zn2+)=0.5时最佳。CNT(Cu)-r表征与产氢4.2

Cu改性碳纳米管表征——XPS样品在932.7和952.8eV处分别出现Cu2p3/2

和Cu2p1/2的特征峰

Cu以Cu2+的形式与碳纳米管表面的羧基静电作用而吸附于其上

CNT(Cu)-r表征——XRD样品的X射线衍射主峰分别在25.2°、26.6°和28.4°样品的XRD衍射图谱中并没有出现碳纳米管的衍射峰，可能是改性碳纳米管在复合物中的含量过低或与Cd0.5Zn0.5S的部分衍射峰重叠了

CNT(Cu)-r表征——SEM&TEMSEM中没有观察到改性碳纳米管，可能是所使用的多壁碳纳米管管径过小且掺入比例过小或改性碳纳米管被镶嵌在样品的内部造成TEM图可清楚观察到，改性碳纳米管镶嵌于晶体之中，说明改性碳纳米管与Cd0.5Zn0.5S的结合较为紧密

CNT(Cu)-r表征

——BET四种材料中均存在介孔（2-50nm）及大孔随着改性碳纳米管添加比例的上升，材料的比表面积SBET呈现减小的趋势

CNT(Cu)-r表征——DRS随着改性碳纳米管掺入比例的增加，材料在可见光长波区域的吸光率呈现上升的趋势

CNT(Cu)-r提升产氢性能CZS-0.5:790μmol;CNT(Cu)-0.5wt.%:1071μmol;CNT(Cu)-1.0wt.%:1123μmol;CNT(Cu)-1.5wt.%:791μmol.CZS-0.5:2106μmolh-1g-1;CNT(Cu)-0.5wt.%:2856μmolh-1g-1CNT(Cu)-1.0wt.%:2995μmolh-1g-1;CNT(Cu)-1.5wt.%:2109μmolh-1g-1;稳定性测试两组样品循环利用3次后其产氢量基本不变，表明这两组样品的催化产氢性能均较为稳定，适合在实际中应用相关机理研究5相关机理Cd0.5Zn0.5S+hv→Cd0.5Zn0.5S(h++e-)(1)Cd0.5Zn0.5S(h+e-)+Cu2+→Cd0.5Zn0.5S(h+)+Cu+(2)Cu++CNT→CNT(e-)+Cu2+(3)CNT(2e-)+2H+

→CNT+H2