金属硫化物的微波水热制备及可见光制氢活性研究

高活性光催化材料的制备是光催化领域的前沿和热点之一。本项目提出采用微波水热离子交换方法制备可被可见光激活的高活性多元金属硫化物产氢光催化材料，研究实验条件对多元金属硫化物形貌、微结构和光催化活性的影响规律；比较传统水热方法和微波水热方法所制备样品的形貌、微结构和光催化产氢活性之间的差异。微波水热方法的优点在于：微波加热速率快、均匀、能够在短时间、低温下合成粒度细和分布均匀的光催化材料，有利于解决光催化材料晶化与比表面积之间的矛盾，避免晶粒的局部异常长大；微波加热的热惯性小，关闭电源后，试样即可快速降温，有利于单分散颗粒的形成；热能利用效率高，可大大节约能量，达到节能减排的目的。我们已经采用微波水热离子交换方法制备了Zn1-xCuxS多孔纳米片，并显示出高的产氢活性，充分证明了该研究工作设想的可行性。本研究将丰富多元金属硫化物光催化材料的制备方法和科学，促进其在光催化产氢中的应用。

本项目围绕金属硫化物的可控合成，研究其可见光光催化产氢性能，并深入探讨了可见光产氢活性机理。通过三年的研究工作，已取得良好的研究进展。项目期间共发表SCI论文8篇，大部分发表在影响因子(2014年公布的SCI影响因子)大于3的国际刊物上，2篇文章发表在影响因子超过10的国际著名刊物上(Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1301925; Nano Lett. 2012, 12, 4584.)。其中发表在Nano Lett.上的研究论文目前已被SCI他引150余次，被ISI评为近10年高引频论文。项目期间积极参加国内外的交流与合作，参加国际会议2次，国内会议4次，并前往澳大利亚阿德莱德大学进行访问学习一年。此外，项目期间还参与培养了3位博士研究生和2位硕士研究生。主要研究内容和成果包括：.（1）通过简单共沉淀-水热方法制备的还原氧化石墨烯(RGO)-ZnxCd1-xS纳米复合材料，在无需贵金属负载的情况下具有优异的太阳光光催化分解水产氢性能。这个工作不仅展示了一种绿色、简单的方法来制备高光催化产氢活性的RGO-ZnxCd1-xS复合物，同时也进一步证明了RGO是一种高效的助催化剂能在光催化产氢中替代贵金属Pt的作用。.（2）通过简单的两步水热法制备了新型的NiS纳米颗粒修饰CdS纳米棒p-n结光催化材料。无需贵金属Pt的负载，制备的样品表现出优异的可见光光催化产氢性能以及良好的稳定性。这个工作揭示了低廉的NiS纳米颗粒在光催化产氢中取代贵金属Pt的可能，还为今后设计和制备其它新型的p-n结光催化材料提供了新的思路。.（3）通过共沉淀和离子交换微波水热的方法分别制备了相同组成的体相和表面修饰的Cu-Zn1-xCdxS；研究发现通过表面修饰方法得到的样品具有更高的光催化产氢活性。Cu2+离子的表面修饰不仅能带来新的电子激发途径（界面电荷转移），同时产生了表面产氢活性位，极大地抑制了光生电子和空穴的复合。.（4）通过水热的方法制备了三元NiS/ZnxCd1-xS/RGO纳米复合材料，得到的三元复合材料在模拟太阳光下表现出十分优异的光催化分解水产氢性能。这个体系最主要的特点是在ZnxCd1-xS本体光催化材料中同时引入非贵金属的RGO和NiS作为还原和氧化助催化剂。因此，光生电子和空穴得到了有效的空间分离，极大的促进了光催化分解水产氢性能。