CdIn2S4光催化劑分解硫化氫制氫研究

單雯妍，樊慧娟，呂宏飛，2，白雪峰，2

(1.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，哈爾濱 150040； 2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

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CdIn2S4光催化劑分解硫化氫制氫研究

單雯妍1，樊慧娟1，呂宏飛1，2，白雪峰1，2

(1.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，哈爾濱 150040； 2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

采用水熱合成法制備系列CdIn2S4光催化劑，并通過(guò)XRD、UV-Vis分析手段對(duì)上述催化劑進(jìn)行了表征。CdIn2S4是具有立方尖晶石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光催化劑，當(dāng)n=0時(shí)，吸收邊約為550 nm。將CdIn2S4光催化劑應(yīng)用于光催化分解硫化氫制氫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)n=0時(shí)，CdIn2S4具有較好的光催化分解硫化氫制氫性能，制氫速率為245.6 μmol/(h·g)。

光催化；制氫；CdIn2S4

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。H2S是煉油、天然氣處理和化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中生成的有害氣體，合理利用上述過(guò)程產(chǎn)生的H2S資源，通過(guò)分解H2S來(lái)制取H2受到了廣泛的關(guān)注。國(guó)內(nèi)外研究人員研發(fā)了系列具有光催化活性的半導(dǎo)體材料，應(yīng)用于太陽(yáng)能光催化分解H2S。為了有效提高太陽(yáng)能的利用率，采用半導(dǎo)體復(fù)合[1,2]、離子摻雜[3]及負(fù)載[4]等方法對(duì)光催化劑進(jìn)行改性，可以提高光催化劑在可見(jiàn)光區(qū)域的催化活性。

CdIn2S4是一種三元金屬硫化物，具有立方尖晶石結(jié)構(gòu)，通常應(yīng)用在光導(dǎo)體、太陽(yáng)能電池及發(fā)光二極管等方面[5]。因其具有優(yōu)異的光電性能，又被研究人員應(yīng)用于光催化分解H2O制取H2以及降解有機(jī)污染物等領(lǐng)域。本文采用水熱法制備半導(dǎo)體光催化劑CdIn2S4，并通過(guò)改變催化劑均勻沉淀反應(yīng)的時(shí)間和反應(yīng)液的濃度，選取制備催化劑的最佳條件，探索催化劑反應(yīng)性能與其微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑的制備

原料為硝酸鎘(Cd(NO3)2·4H2O)、硝酸銦(In(NO3)3·4H2O)和硫代乙酰胺(CH3CSNH2)，摩爾比=1∶2∶8，取75 mL蒸餾水將一定濃度的原料攪拌至溶解完全。均勻沉淀反應(yīng)在水浴條件下進(jìn)行n h(n=0、1、2、3)，水浴溫度為80℃，反應(yīng)后形成的黃色溶膠，加入以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，設(shè)置反應(yīng)溫度為160℃，反應(yīng)時(shí)間為24 h。自然冷卻，取出樣品依次用蒸餾水和無(wú)水乙醇洗滌數(shù)次，80℃真空干燥4 h，得到CdIn2S4光催化劑。

1.2 催化劑的表征

樣品分析采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的Rigaku X射線衍射儀(D/MAX-3B型，Cu靶，40 kV，掃描區(qū)間10°～70°)；樣品的紫外-可見(jiàn)漫反射分析(UV-Vis)由日本Shimadzu公司生產(chǎn)的紫外-可見(jiàn)漫反射儀(UV-2450)進(jìn)行測(cè)量( 240～800 nm)。

1.3 光催化制氫性能評(píng)價(jià)

光催化制氫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)在自制內(nèi)循環(huán)式石英反應(yīng)器中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)以250 W高壓汞燈為光源，并采用濃度為1 mol/L的亞硝酸鈉溶液濾掉λ<400 nm的光。光催化分解硫化氫制氫過(guò)程：取0.2 g光催化劑，加入到300 mL反應(yīng)溶液中(反應(yīng)介質(zhì)為0.35 mol/L Na2S和0.25 mol/L Na2SO3組成的混合水溶液)；磁力攪拌下使催化劑均勻分散。開(kāi)燈前，通N2吹掃20 min去除氧氣。反應(yīng)0.5 h后，采集氣體樣品進(jìn)行H2定量分析(氣相色譜)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同均勻沉淀反應(yīng)時(shí)間制備的光催化劑表征

控制反應(yīng)液濃度為0.026 mol/L，考察不同均勻沉淀反應(yīng)時(shí)間對(duì)CdIn2S4光催化劑催化性能的影響，通過(guò)XRD、UV-Vis等分析方法對(duì)催化劑進(jìn)行了表征，表征結(jié)果分別見(jiàn)圖1～2。

圖1 不同均勻沉淀反應(yīng)時(shí)間制備的CdIn2S4的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of CdIn2S4 prepared at different homogeneous precipitation reaction time

圖2 不同均勻沉淀反應(yīng)時(shí)間制備的CdIn2S4的UV-Vis譜圖Fig.2 UV-Vis diffuse spectra of CdIn2S4 prepared at different homogeneous precipitation reaction time

由圖1可知，水熱法制備的CdIn2S4光催化劑具有純相立方尖晶石結(jié)構(gòu)，沒(méi)有CdS、In2S3等其他雜質(zhì)的存在。其特征衍射峰分布在23.1°、27.2°、33.0°、43.3°、47.4°、55.5°和66.1°處，分別對(duì)應(yīng)(220)、(311)、(400)、(511)、(440)、(533)和(731)七個(gè)晶面。CdIn2S4的結(jié)晶度隨著均勻沉淀反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，略有提高。由圖2可知，所有催化劑樣品均能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光響應(yīng)，具有可見(jiàn)光光催化活性。當(dāng)n=0時(shí)，樣品在可見(jiàn)光區(qū)吸收范圍較寬，吸收強(qiáng)度較大，吸收邊約為550 nm。

2.2 不同均勻沉淀反應(yīng)時(shí)間制備的光催化劑分解硫化氫制氫性能

由圖3可知，當(dāng)n=0時(shí)，所制備的光催化劑表現(xiàn)出較好的制氫性能，其平均產(chǎn)氫速率達(dá)到245.6 μmol/(h·g)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，均勻沉淀反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化劑制氫性能影響較大，可能是因?yàn)榫鶆虺恋矸磻?yīng)1 h時(shí)，S2-未被完全釋放出來(lái)，反應(yīng)不完全；反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)后，粒子發(fā)生團(tuán)聚，使得表面積減小，制氫速率下降。

圖3 不同均勻沉淀反應(yīng)時(shí)間所制備的CdIn2S4光催化分解硫化氫制氫性能Fig.3 H2 production of H2S decomposition over CdIn2S4prepared at different homogeneous precipitation reaction time

3 結(jié)論

第一，采用水熱法制備系列CdIn2S4光催化劑，分析結(jié)果表明，制得的催化劑均為立方尖晶石結(jié)構(gòu)，隨著均勻沉淀反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)晶度略有增加。當(dāng)n=0時(shí)，吸收邊約為550 nm，且吸收強(qiáng)度較大。

第二，以Na2S(0.35 mol/L)與Na2SO3(0.25 mol/L)組成的混合水溶液為反應(yīng)介質(zhì)，當(dāng)n=0時(shí)，CdIn2S4具有最高的產(chǎn)氫速率，達(dá)到245.6 μmol/(h·g)。

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[2] 馬雅婷，李巧玲. TiO2/Co3O4復(fù)合納米顆粒的制備及其光催化制氫性能[J]. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2016，31(8)：841-844.

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Photocatalytic decomposition of H2S by CdIn2S4photocatalyst

SHAN Wen-yan1, FAN Hui-juan1, LV Hong-fei1,2, BAI Xue-feng1,2

(1.Institute of Petrochemistry, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150040, China; 2.Institute of Advanced Technology, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150020, China)

A series of CdIn2S4photocatalysts has been synthesized by hydrothermal method. The physical and photophysical properties of the CdIn2S4photocatalysts were characterized by X-ray diffraction, UV-Vis diffuse reflectance spectrum. CdIn2S4could form semiconductors photocatalysts with cubic spinel phase. The absorption edge of CdIn2S4was 550 nm when n=0. CdIn2S4series photocatalysts were used in the photodecomposition of H2S to H2. When n=0, the highest photocatalytic activity was observed on CdIn2S4with the rate of H2evolution up to 245.6 μmol/(h·g).

Photocatalysis; Hydrogen production; CdIn2S4

2016-11-12

白雪峰(1964-)，男，博士，研究員，e-mail：bxuefeng@163.net。

單雯妍(1985-)，女，碩士，助理研究員。

O643.32

B

1674-8646(2017)02-0016-02