地壳储量丰富的硫化镍材料在光催化性能的应用

近几十年来，随着传统的煤炭、石油等不可再生能源的日益消耗，以及使用化石燃料所带来的环境污染问题日益加剧，开发和利用清洁新能源已成为我国乃至全球可持续发展战略的重要组成部分。由于氢气具有较高的质能比，且燃烧产物是水，对环境无污染，被视为一种理想的二次清洁能源载体。但是自然界中氢的存在较少，氢气需要通过含氢物质的加工转化而制得。目前使用最广泛的途径是重整水蒸气产氢。1972年，日本学者发现了Honda-Fujishima效应，利用TiO2半导体光催化分解水一步制得氢气，使太阳能转化为化学能成为可能。光催化分解水产氢被称为化学界的“圣杯”，水和太阳能皆是取之不尽的物质，利用光解水得到的氢能被利用后可再以水的形态回到大自然中（H2+1/2O2=H2O），实现一个可持续发展和利用的循环。由此可见，太阳能光解水产氢具有非常重要的战略和现实意义。早期研究的较深入的多为宽带隙半导体，对占太阳光能量约4%的紫外波段响应良好，为了更好地利用在太阳光能量中占比较多的可见光（约43%），近十几年来研究人员对可见光半导体催化材料进行了大量的研究。其中，CdS光催化剂的带隙为2.4 eV，导带电位为0.87 eV vs THE，满足光分解水的条件，被认为是可见光催化分解水产氢的良好的半导体催化剂材料，然而，CdS在没有进行任何修饰和改性时其光催化产氢的活性非常低，而且由于光腐蚀性，CdS在长时间的光照下会发生光解现象，导致其活性下降。为了解决这些问题，研究者们采用了很多方法来改善CdS的光催化活性，如：①将CdS与其他半导体复合；复合半导体由于存在能级交错，可以很容易将光生载流子从一个半导体转移到另一个半导体上，加速了光生载流子的分离，从而提高了光催化剂的产氢效率。②采用不同的方法制备具有可控形貌尺寸与结构的CdS；CdS的催化活性与尺寸和形貌有密切的关系，通过对CdS的形貌尺寸及结构的调控制备，可以有效提高光生载流子的分离，提升CdS光催化剂的稳定性。③制备CdS固溶体催化剂；硫化物固溶体的能带结构可以通过固溶组分及含量进行调控，从而改善CdS的光催化活性。

除了上述方法，负载助催化剂对于提升CdS光催化产氢活性起到了重要的作用。助催剂不仅可以有效地抑制光生电子与空穴的复合，还可以降低氢气产生的过电位。例如，铂、铑及钯等贵金属因具有非常好的助催化活性而被大量研究应用为光催化产氢的助催剂，然而其昂贵的价格及储量的稀有限制了其大规模工业应用的可能性。近年来，金属硫化物诸如MoS2、WS2、AgS2等被发现具有较好的助催剂特性。同时，作为地壳储量丰富且成本更加低廉的硫化镍材料也有报道，例如，Zhang等人报道了CdS在以NiS作为助催剂，乳酸为牺牲剂的条件下量子效率在420 nm达到51.3%。Yin等人报道了以NiS2纳米颗粒作为助催剂可以大大提高g-C3N4的光催化产氢活性。Zhu等人报道了CNT@Ni3S2作为助催剂对Er Y光催化产氢的改善。这些结果充分说明了硫化镍纳米材料作为助催剂在光催化产氢中具有很大的现实利用价值及研究意义。(www.xing528.com)

本章中，我们采用本课题组之前所报道过的具有表面分等级结构的一维镍纳米线作为前驱物材料，采用自牺牲模板法与光催化剂半导体复合，制备负载硫化镍为助催剂的复合光催化剂材料，探讨其光催化产氢性能。