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【6h】

MoS2基杂化结构用于光电催化析氢反应的研究

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摘要

符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 氢能的优点和制备技术

1.2.1 氢能的优点

1.2.2 氢能的制备技术

1.3 光电分解水制氢研究现状

1.3.1 光电分解水制氢基本原理

1.3.2 析氢电极材料的研究现状

1.4 本课题的研究目的与意义

1.5 本课题主要研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验药品及仪器设备

2.2 析氢电极的理化性能表征

2.2.1 X射线衍射仪(XRD)

2.2.2 场发射扫描电子显微镜(SEM)及电子能谱仪(EDS)

2.2.3 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)及电子衍射(SAED)

2.2.4 X射线光电子能谱仪(XPS)

2.2.5 紫外-可见分光光度计(UV-vis)

2.2.6 荧光分光光度计(PL)

2.3 析氢电极的光电化学测试方法

2.3.1 Mort-Schottky曲线

2.3.2 稳态阴极极化法

2.3.3 I-t曲线

2.3.4 交流阻抗法

第三章 双层结构MoS2基体系用于光电催化析氢性能的研究

3.1 MoS2基双层结构的制备及表征

3.1.1 MoS2的制备及表征

3.1.2 CdS/MoS2双层的制备及表征

3.1.3 GO/MoS2双层的制备及表征

3.1.4 N-rGO/MoS2和MoS2/N-rGO两种双层的制备及表征

3.2 光学性能

3.3 光电催化性能

3.4 本章小结

第四章 CdS纳米阵列的制备CdS@MoS2核壳杂化结构的光电催化析氢性能研究

4.1 CdS纳米阵列的制备及表征

4.1.1 CdS纳米阵列的制备

4.1.2 形貌结构表征

4.2 CdS@MoS2核壳杂化结构的制备及其光电催化性能

4.2.1 Cds@MoS2核壳杂化结构的制备

4.2.2 形貌结构

4.2.3 光学性能

4.2.4 光电催化性能

4.3 CdS@MoS2核壳杂化结构光电催化性能的条件优化

4.3.1 CdS水热时间对CdS@MoS2光电催化性能的影响

4.3.2 MoS2的沉积时间对CdS@MoS2光电催化性能的影响

4.4 本章小结

第五章 N-rGO改性CdS@MoS2核壳杂化结构的光电催化析氢性能研究

5.1 CdS@MoS2/N-rGO三元杂化结构的制备

5.2 形貌结构

5.3 光学性能

5.4 光电催化性能

5.5 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者与导师简介

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摘要

氢气因其燃烧值高、储量丰富、无污染等特点有望成为替代现有化石燃料的新能源。然而,裂解石油气、电解水等传统的制氢方法,不仅耗能大,还会带来很多环境问题。光电催化制氢以其效率高、成本小等特点,成为目前的研究热点。但由于在光电催化制氢过程中,水无法直接吸收太阳光,且存在能耗过高的问题,而加入析氢催化剂可以提高太阳光的利用率,降低了析氢反应的过电位,解决了其所存在的问题。因此,析氢催化剂的材料设计和结构调控对其光电催化性能有着至关重要的作用,本文主要围绕催化剂材料的结构设计与杂化展开,研究了形貌控制对光电化学析氢性能的影响。本论文的研究内容如下:
  1.采用两步电沉积法合成了双层CdS/MoS2复合催化剂,结合旋涂法和电沉积方法制备了GO/MoS2(氧化石墨烯)、N-rGO/MoS2(氮掺杂石墨烯)和MoS2/N-rGO三种炭材料双层杂化结构。光电化学测试表明,无论在碱性还是酸性溶液中,与单纯的MoS2催化剂相比,这四种双层结构复合催化剂均表现出高的电催化析氢活性,但其光催化析氢活性较差。
  2.针对半导体双层CdS/MoS2复合催化剂光催化活性较差的问题,对其进行了进一步形貌调控,采用水热法和电沉积法成功构建了CdS@MoS2核壳纳米棒阵列杂化结构,并通过调节CdS水热时间和MoS2沉积时间来调控核壳结构的形貌。研究表明:CdS纳米棒阵列的长度随着水热时间的增加而增长,其主要对核壳杂化结构的光催化析氢活性起主导作用;MoS2壳层的厚度随着沉积时间的增加而增加,其主要影响核壳杂化结构的电催化析氢活性。由于在CdS@MoS2纳米棒阵列结构中,N型半导体CdS与P型半导体MoS2之间形成了P-N异质结,当其作为阴极催化剂还原析氢过程中,外加电压施加到催化剂表面有两种可能,分别为正向偏压和反向偏压,从而使得CdS@MoS2结构既具有优异的电催化活性外,还具有较高的光催化活性。
  3.为了进一步优化CdS@MoS2核壳杂化结构的光电催化活性,采用旋涂法将N-rGO掺杂到CdS@MoS2核壳结构中,构建了CdS@MoS2/N-rGO三元复合催化剂。从析氢极化曲线中可以看出,在-0.8V电位下(vs SCE),CdS@MoS2/N-rGO三元复合催化剂在酸性介质中光照前后的电流密度分别为35.88mA·cm-2和46.88mA·cm-2,是CdS@MoS2核壳杂化结构光照前后电流密度的2倍和1.6倍。研究结果表明:掺杂N-rGO进一步提高了CdS@MoS2核壳杂化结构的光电催化析氢性能。

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