具有双晶结构的ZnCoS/ZnCdS在能源应用中用于多功能氧化还原光催化的合成与性能评估

我们的团队致力于研究用于清洁能源和环境领域的杂化纳米结构，重点探索纳米催化机制，以提高光催化和电催化在太阳能转化为化学能及环境修复过程中的效率、选择性和可扩展性。近期研究进展包括二维纳米材料、碳基纳米复合材料以及基于偏亚硫酸盐的异质结，这些材料在析氢、二氧化碳转化、塑料重整和有机合成等光氧化还原应用中表现出色，从而提升了太阳能到化学能的转化效率与可持续性。我的研究工作聚焦于开发用于人工光合作用和光热催化的先进纳米催化剂，在太阳能驱动的氢气和合成气生产方面取得了显著进展，同时深入揭示了推动可持续能源转化的基础表面化学与反应机理。

本实验方案利用硫化锌铜替代硫化锌镉，结合快速投掷法制备的纤锌矿与闪锌矿异质结以及硫化锌铜电子储层，实现了更优异的电荷分离效果、可见光利用效率，并显著提升了兼具氢气析出和苯甲醛生成双重功能的催化效率。我未来的研究将聚焦于设计先进的光催化剂和电催化剂，用于一氧化碳转化、甲烷转化、硝酸盐还原为氨、氢气的制备与储存、生物质转化以及塑料的升级循环，旨在实现可规模化、高效且可持续的太阳能到化学能转化，能量转换效率目标超过5%。首先，将一个100毫升烧杯放置在实验台面上，倒入40毫升乙二醇溶液。使用刮勺向溶液中加入乙酸锌二水合物、乙酸钴四水合物和硫代乙酰胺。

将溶液进行超声处理30分钟，然后在室温下持续搅拌4小时。将所得混合物转移至一个100毫升带合成聚合物内衬的不锈钢高压反应釜中。

然后将溶液转移至预热的烘箱中，在180摄氏度下加热12小时。使用离心机收集深灰色沉淀物。随后，分别用去离子水和乙醇各洗涤沉淀物三次。

将洗涤后的深灰色样品在60摄氏度的烘箱中干燥过夜，得到深灰色的硫化锌钴粉末。为了合成硫化锌镉，将40毫升去离子水倒入100毫升烧杯中。使用药匙将乙酸锌二水合物、乙酸镉二水合物、硫化钠水合物和硫代乙酰胺加入溶液中。

将溶液进行超声处理30分钟，随后在室温下搅拌3小时。接着，将0.2摩尔的氢氧化钠水溶液逐滴加入搅拌中的溶液，调节pH至7.0。将调节后的溶液转移至一个100毫升带合成聚合物内衬的不锈钢高压反应釜中。

然后，将溶液放入烘箱中，在180摄氏度下加热24小时。使用离心机收集黄色沉淀物，再分别用去离子水和乙醇各洗涤三次。将洗涤后的黄色沉淀物转移至烘箱中，在60摄氏度下干燥过夜，得到硫化锌镉固体粉末。

为合成光催化剂，将4毫克硫化锌钴和0.196克硫化锌镉溶解于40毫升去离子水中。超声处理后，收集黄色沉淀，然后分别用去离子水和乙醇各洗涤样品三次。将洗涤后的黄色沉淀转移至烘箱中，在60摄氏度下干燥过夜。

最终产物为淡黄色的硫化锌钴和硫化锌镉固体粉末。将20毫克合成的光催化剂和60毫升苯甲醇水溶液加入100毫升烧杯中。将烧杯放入超声波清洗器中，超声处理30分钟。

然后，将溶液转移至三颈顶部照射反应器池中，并放入一根磁力搅拌子。在整个反应过程中保持溶液缓慢搅拌。接下来，将一个防潮阱连接到反应器池的下游侧。

然后，将出口连接到气相色谱系统的气体取样环入口。接着，将气体取样环的出口连接到反应器池的入口，以形成封闭的气体循环系统。用玻璃窗将反应器密封。

然后，以每分钟50毫升的流速向反应器中通入氮气30分钟，以除去内部所有空气。接着，开启蠕动泵，将流速设定为每分钟20毫升，使氮气在密闭的气体循环系统中循环。打开15伏的氙灯，并调整其位置，使光线穿过玻璃窗口并照射到反应器内的溶液中。

反应完成后，使用孔径为0.22微米的尼龙注射式滤器过滤1毫升悬浮液。将滤过的悬浮液按1:9的比例用去离子水稀释。最后，采用配备有光电二极管阵列检测器和高性能100埃色谱柱的高效液相色谱系统进行分析。

高分辨率透射电子显微镜图像证实了硫化锌镉中闪锌矿相与纤锌矿相的共存，且两晶区之间存在清晰可辨的相界。硫化锌钴与硫化锌镉异质结的相间结构被明显观察到，表明硫化锌钴成功地结合在硫化锌镉的闪锌矿与纤锌矿相界上。紫外-可见吸收光谱显示，与硫化锌钴相比，硫化锌镉在可见光区域具有更高的吸光度，而硫化锌钴/硫化锌镉异质结的吸光度较单独的硫化锌镉略有增强。

根据Tauc曲线分析，硫化锌镉的光学带隙被计算为约2.49电子伏特。氮气吸附/脱附等温线显示，硫化锌钴和硫化锌镉样品表现出介孔特性，在相对压力接近1.0时吸附量急剧增加。硫化锌钴和硫化锌镉的孔径分布主要集中于25至35纳米之间，进一步证实了材料的介孔性质。