形貌可控CdS/石墨烯纳米复合材料的辐射合成及其可见光催化制氢性能研究

The preparation of catalyst with high visible light photocatalytic activity and long term stability has been a challenge in the field of photocatalytic water splitting under visible light. The special-shaped CdS/graphene nanocomposites with high visible light photocatalytic activity will be prepared by reduction of graphene oxide and the preparation of CdS nanocrystals with different shapes simultaneously using gamma-ray irradiation. The effect of synthetic conditions on the structure and visible light photocatalytic properties will be systematically investigated. The growth mechanism of CdS nanocrystals with different shapes will be studied by TEM, SEM, AFM and XRD in order to prepare a series of special-shaped CdS/graphene nanocomposites. We will systematically investigate the band gap, specific surface area, quantum efficiency, visible light photocatalytic activity and long term stability of these nanocomposites to improve their visible light photocatalytic performance. This work will establish a novel, simple, low energy and environmental friendly approach to the synthesis of CdS/graphene nanocomposites with high visible light photocatalytic performance.

制备可见光催化活性高、稳定性能好的催化剂是光催化分解水制氢领域的研究热点。本项目拟利用γ辐射技术同步实现氧化石墨烯的辐射还原以及不同形貌CdS在石墨烯表面的可控合成，制备出高可见光催化活性的异型结构CdS/石墨烯纳米复合材料。申请者将系统研究辐射合成条件对CdS/石墨烯纳米复合材料的结构与可见光催化性能的影响。通过TEM、SEM、AFM、XRD等表征方法探讨不同形貌CdS的辐射生长机制，进而实现异型结构CdS/石墨烯纳米复合材料的可控辐射合成。通过对不同异型结构CdS/石墨烯纳米复合材料的禁带宽度、比表面积、量子效率、光催化稳定性和产氢量的深入研究，筛选出具有优异的可见光催化性能的CdS/石墨烯纳米复合材料，从而建立一种简单、低能耗、环境友好的制备CdS/石墨烯光催化剂的新方法。

硫化镉作为一种ⅡB-ⅥA族半导体化合物，在光催化领域应用广泛。当硫化镉与石墨烯形成复合物后，石墨烯可以作为硫化镉半导体纳米颗粒的良好载体，促进其分散，增大比表面积，还可以接受、捕获硫化镉半导体中激发到导带的光生电子，减少提高空穴-光生电子对的复合，提高复合物的光催化性能和量子效率。但目前文献中报道的硫化镉/石墨烯纳米复合材料大多由化学还原、溶剂热还原等方法制备，能耗相对较高，条件相对苛刻。.本项目利用γ辐射技术同步实现氧化石墨烯的辐射还原以及硫化镉在石墨烯表面的可控合成，制备出高可见光催化活性的硫化镉/石墨烯纳米复合材料，并系统研究了辐射合成条件对硫化镉/石墨烯纳米复合材料的结构与可见光催化性能的影响。.结果表明：高剂量有利于提高氧化石墨烯的辐射还原程度，但会造成CdS纳米粒子的粒径尺寸增加，团聚现象明显；高剂量率对氧化石墨烯的辐射还原无明显影响，但会减小CdS纳米粒子的粒径尺寸；石墨烯作为载体可以有效地减少复合材料中CdS纳米粒子的团聚，提高其分散性，减小纳米粒子粒径。但由于石墨烯的引入促进了CdS纳米粒子的分散和形成，同时也干扰了其它异形结构CdS的形成，辐照制备的CdS纳米晶粒都为球状，无其它形状；体系中引入自由基清除剂和表面活性剂，可以调控CdS纳米粒子的粒径尺寸，并抑制团聚现象。经过优化，制备得到的纳米复合材料催化降解罗丹明的反应速率达0.212 min-1。另外，通过负载0.65%的铂，将之应用于光催化析氢，其析氢速率高达3.53 mmol g-1 h-1。该方法可以实现简便、高收率、低成本、宏量工业化制备CdS/石墨烯纳米复合物。