CdS/石墨烯纳米复合材料的超声化学法制备及光催化性能

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)同济大学材料科学与工程学院 作者:周田

  采用超声化学法制备了CdS/石墨烯纳米复合材料,通过TEM、FE-SEM、XRD、UV-Vis 等对该复合材料的结构、形貌及其光学和可见光光催化性能进行了表征。结果表明,超声化学法不仅合成过程简单,而且石墨烯表面所负载的CdS 纳米粒子尺寸小、分散性好,与石墨烯的结合牢固。由于石墨烯优异的吸附性能和对载流子的高迁移率,CdS/石墨烯纳米复合材料显示出较高的可见光光催化性和光稳定性,30 min 内甲基橙的降解率即可达到90%以上,且3 次重复实验过程中光催化效果接近。

  近年来, 新型可见光响应光催化材料的开发利用成为研究热点,在环境污染控制、可持续能源开发利用方面具有重要意义。与目前最为常用的宽带隙的TiO2半导体光催化材料相比,硫化镉(CdS)具有较小的禁带宽度(2.42 eV), 能够吸收波长小于520nm 的紫外和可见光, 另外,CdS 具有较负的导带带边位置, 因此被认为是一种在可见光光催化方面具有一定应用潜力的半导体光催化剂, 但是光量子效率较低以及可见光下的光腐蚀却阻碍了CdS 的广泛应用。将CdS 量子点负载到具有较大比表面积的载体上,能够有效提高CdS 的光催化活性、稳定性及分散性,已成为CdS 改性的一种有效手段。

  石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料, 其能隙为零,具有超大的比表面积(2 630 m2·g-1)、良好的化学稳定性以及在室温下超高的载流子迁移率(2×105cm2·V-1·s-1)。研究表明,将CdS 与石墨烯复合,利用石墨烯规整的二维平面结构作为其载体, 一方面可以提高CdS 的分散程度,另一方面可加快光生电荷迁移的速率, 提高复合材料的催化活性和光稳定性。另外,大量石墨烯包裹在CdS 纳米颗粒表面,呈现出黑色, 可以提高复合材料对可见光的吸收能力。然而,目前有关CdS/石墨烯复合材料的研究还很鲜见,常用的制备方法主要有一锅法、水热-溶剂热法、微波辅助合成等,但这些方法操作复杂,得到的复合材料中CdS 纳米粒子的颗粒尺寸大、粒径分布宽,对复合材料的光催化性能有不利影响。

  超声化学法是利用超声波所引发的特殊物理、化学条件加强和改善液-固非均匀体系的化学反应、强化传质过程,使反应体系实现微观或介微观均匀混合, 使得晶体的生长和颗粒的团聚得到有效的控制,因而可以得到粒度分布窄的超细颗粒。由于该方法具有易于控制、周期短、效率高等优点,已经被用来成功制备了多种金属纳米颗粒、氧化物纳米棒以及金属硫化物纳米颗粒等。本工作采用超声化学法制备了CdS/石墨烯纳米复合材料,借助石墨烯对载流子的高迁移率及其共轭π 键分子的杂化作用,减少CdS 中光生载流子的复合,进而显著提高了CdS 的光催化性能和抗光腐蚀性。

  结论

  采用超声化学法合成了CdS/石墨烯纳米复合材料,并对其光学和可见光光催化性能进行了表征。结果表明,石墨烯表面所负载的CdS 纳米粒子尺寸小(10 nm 左右),分散性好。与单纯CdS 纳米粒子相比, 复合材料的吸收峰和发射峰均发生蓝移和宽化现象。光催化结果显示,CdS 纳米粒子与石墨烯复合后,光催化性能明显改善,在0.5 h 内甲基橙的降解率即可达到90%以上,光催化性能的提高一方面是由于石墨烯优异的电子传导性能, 有效降低了光生电子和空穴的复合, 另一方面归因于石墨烯极大的比表面积和优异的吸附性能。同时,超声化学法使得CdS 纳米粒子在石墨烯片层表面牢固结合, 从而促进了光生电荷的传递,提高了载流子的分离效率。此外,由于石墨烯共轭π 键分子的杂化作用,促进了光生空穴的迁移,从而有效抑制了CdS 的光腐蚀。

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