реферат Изотова А. О. МН-21 NEW. Методы получения катализатора ZnOCdS, применяющегося в фотокаталитическом получении водорода из воды

• Название: Методы получения катализатора ZnOCdS, применяющегося в фотокаталитическом получении водорода из воды
• Дата: 21.11.2021
• Размер: 31.6 Kb.
• Имя файла: реферат Изотова А. О. МН-21 NEW.docx
• Тип: Реферат; #277875

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет
имени Д. И. Менделеева»

Факультет технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов

Кафедра химической технологии неорганических веществ и электрохимических процессов

Направление подготовки:

18.04.01 Химическая технология

Профиль:

Химическая технология неорганических веществ

РЕФЕРАТ

на тему:

«Методы получения катализатора ZnO/CdS, применяющегося в фотокаталитическом получении водорода из воды»

Проверила

д.т.н, профессор Т.В. Конькова

Обучающийся магистрант А.О. Изотова

группа МН-21

Содержание

Введение 3

Способы получения катализатора ZnO/CdS 4

Список литературы 7

Введение

С развитием общества человечество сталкивается с глобальной энергетической проблемой, заключающейся в необходимости обеспечения возрастающих потребностей людей в энергетических ресурсах. Заменить собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, могут альтернативные источники энергии. В качестве одного из альтернативных источников энергии выступает водород [1].

Получение водорода путем разложения воды считается одним из наиболее перспективных способов получения водорода при условии, что требуемая энергия получена из возобновляемых источников. Источником энергии может служить солнечное излучение, тогда данный процесс называется фотокаталитическим разложением воды. Важным преимуществом фотокатализа является то, что реакция протекает при комнатной температуре и атмосферном давлении. Этот метод позволяет аккумулировать устойчивую солнечную энергию в водород без вторичного загрязнения окружающей среды и c возобновляемым использованием.

Обычно среди исследователей в качестве однокомпонентных каталитических систем популярны такие вещества как TiO2, ZnO и ZnS благодаря их стабильности, однако по своей природе они являются веществами с широкой полосой пропускания и, следовательно, возбуждение электронов возможно только под действием ультрафиолетового (УФ) света. Поэтому для расширения светового диапазона используют сокатализаторы, такие как благородные металлы (Pt, Au, Ru), сульфиды металлов (CuS, CoS) и оксиды металлов (CuO, NiO, CrO), у которых переход электроном происходит при видимом свете.

В данном реферате будут показаны методы синтеза катализатора ZnO/CdS, используемого при фотокалитическом получении водорода из воды. Компоненты катализатора дополняют свойства друг друга, ZnO обладает высокой стабильностью и высокой квантовой эффективностью процесса, а CdS обеспечивает фотокаталитические свойства системы в диапазоне видимого света. Данный подход позволяет добиться значительного увеличения активности фотокатализатора в реакции выделения водорода.

Способы получения катализатора ZnO/CdS

Авторы статьи [4] изучали фотокаталитическое получение водорода на катализаторах CdS/ZnO методом фотоосаждения. Самая высокая фотокаталитическая активность была зафиксирована у катализатора с содержанием CdS 22,91% при времени облучения 120 мин.

Реагенты для синтеза ZnO/CdS:

• 
  Дигидрат ацетата цинка (Zn(CH3COO)2*2H2O, Sigma-Aldrich);
  
• 
  Аммиак водный (NH3*H2O, Sigma-Aldrich);
  
• 
  S8 (Sulfur, Sigma-Aldrich);
  
• 
  Тетрагидрат нитрата кадмия (Cd(NO3)2*4H2O, 98%, Sigma-Aldrich);
  
• 
  Этанол (C2H5OH, Duksan pure chemicals);
  
• 
  Дистиллированная вода.
  

Синтез катализатора:

Получение ZnO:

1. 
   20 мл 6,0 моль водного аммиака медленно добавляли в 150 мл 0,01 моль водного раствора Zn(CH3COO)2.
   
2. 
   После перемешивания в течение 3 дней полученный осадок отделяли, промывали, сушили и прокаливали при 500 °C [3].
   

Последующее получение системы ZnO/CdS:

3. 
   100 мг частиц ZnO, 30 мг S8 и 450 мг Cd(NO3)2*4H2O были добавлены в раствор смеси из 30 мл этанола и 20 мл дистиллированной воды.
   
4. 
   Суспензию продували азотом в течение 2 ч в темноте.
   
5. 
   Затем проводили облучение в течение заданного периода времени (0-180 мин) с помощью ксеноновой лампы мощностью 300 Вт при комнатной температуре.
   
6. 
   Следом продукты фильтровали, промывали водой и этанолом, после чего сушили на воздухе [4].
   

В статье [5] был проведен синтез псевдомикросферических структур ZnO/CdS вида ядро-оболочка, при котором между ядром ZnO и CdS, который образуется в результате ионной реакции между Cd²⁺ и S^2- (CdCl2 + Na2S = 2NaCl + CdS), осуществляется гетеропереход с образованием фотокатализатора ZnO/CdS.

Реагенты для синтеза ZnO/CdS:

• 
  Гексагидрат нитрата цинка (Zn(NO3)*6H2O, 98 %, Sigma-Aldrich);
  
• 
  Хлорид кадмия (CdCl2, 99,0 %, Sigma-Aldrich);
  
• 
  Сульфид натрия (Na2S∙(H2O)9, 98 %, Sigma-Aldrich);
  
• 
  Этанол (C2H5OH, Duksan pure chemicals);
  
• 
  Гидроксид натрия (NaOH, 98 %, Duksan pure chemicals);
  
• 
  Деионизированная вода (удельное сопротивление 18 М).
  

Синтез катализатора:

Получение ZnO:

1. 
   Гексагидрат нитрата цинка (Zn(NO3)*6H2O) растворяли в 20 мл деионизированной воде для получения 0,1 М, 0,5 М и 1 М концентраций, также, растворяли в 20 мл гидроксида натрия (NaOH) для получения таких же концентраций 1 М, 2 М и 3 М.
   
2. 
   Затем раствор гидроксида натрия добавляли в раствор нитрата цинка при постоянном перемешивании до образования однородной смеси при комнатной температуре. Через несколько секунд мгновенно образовались белые агломераты ZnO и раствор агломератов перемешивался для получения стабильной дисперсии частиц в течение 1 часа.
   
3. 
   Полученные белые осадки промывали шесть раз (пока pH остаточной воды не достигнет 7,0) с помощью деионизированной воды путем центрифугирования и сушили при 60 ℃ в течение 12 ч.
   

Последующее получение системы ZnO/CdS:

4. 
   Частицы ZnO были диспергированы ультразвуком в 20 мл водного раствора, содержащем соответствующее количество (0,5 2,5 ммоль) CdCl2 в течение 30 минут.
   
5. 
   Затем 20 мл водного раствора, содержащего расчетное количество сульфида натрия, добавляли по каплям к раствору CdCl2 с частицами ZnO в течение 1 часа.
   
6. 
   Цвет раствора постепенно изменялся от белого до светло-оранжевого в результате образования частиц CdS. Светло-оранжевый осадок также промывались несколько раз деионизированной водой и этанолом путем центрифугирования и сушили при 60 ℃ в течение 12 ч.
   
7. 
   Высушенные образцы фотокатализатора ZnO/CdS подвергались термической обработке в течение 1 ч при 400 ℃ и 500 ℃, а также в течение 30 мин при 400 ℃.
   

Авторы статьи [6] синтезировали фотокатализатор ZnO/CdS с иерархической структурой c использованием гидротермального процесса и химического осаждения.

Реагенты для синтеза ZnO/CdS:

• 
  Дигидрат ацетата цинка (Zn(Ac)2*2H2O);
  
• 
  Дигидрат цитрата тринатрия (Na3C6H5O7*2H2O);
  
• 
  Мочевина (CO(NH2)2);
  
• 
  Тиоацетамид (CH3CSNH2);
  
• 
  Хлорид кадмия (CdCl2);
  
• 
  Дистиллированная вода.
  

Синтез катализатора:

Получение ZnO:

1. 
   3,75 ммоль дигидрата ацетата цинка (Zn(Ac)2-2H2O), 15 ммоль мочевины (CO(NH2)2) и 0,75 ммоль дигидрата цитрата тринатрия (Na3C6H5O7*2H2O) растворяли и перемешивали в 80 мл дистиллированной воды для получения гомогенного раствора.
   
2. 
   Затем полученный прозрачный раствор в объеме 100 мл помещали в автоклав из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием, который был герметично закрыт и поддерживался при температуре 120 °C в течение 6 ч.
   
3. 
   Полученный осадок был центрифугирован, высушен и затем прокаленпри 300 °C в течение 2 ч.
   

Последующее получение системы ZnO/CdS:

4. 
   0,2 ммоль хлорида кадмия (CdCl2) и 0,2 ммоль тиоацетамида (CH3CSNH2) были отдельно растворены в 20 мл воды.
   
5. 
   Затем раствор перемешивали и добавляли 0,1 г подготовленного порошка ZnO.
   
6. 
   После этого смесь выдерживали при 40 °C в течение 20 мин для протекания реакции. Затем полученный катализатор ZnO/CdS был центрифугирован и высушен в вакууме.
   

Список литературы

1. 
   Nowotny, J. Solar-hydrogen: Environmentally safe fuel for the future / J. Nowotny, C.C. Sorrell,L.R. Sheppard, T. Bak // International Journal of Hydrogen Energy. – 2005. – Т. 30. – № 5. – С.521-544.
   
2. 
   Li, Z. In2Se3/CdS nanocomposites as high efficiency photocatalysts for hydrogen production under visible light irradiation / Z. Li, T. Ma, X. Zhang, Z. Wang // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Т. 46. – № 29. – С.15539 -15549.
   
3. 
   Zhao H. et al. Facile preparation of a ZnS/ZnO nanocomposite for robust sunlight photocatalytic H 2 evolution from water //Rsc Advances. – 2015. – Т. 5. – №. 9. – С. 6494-6500.
   
4. 
   Zhao H. et al. Light-assisted preparation of a ZnO/CdS nanocomposite for enhanced photocatalytic H2 evolution: an insight into importance of in situ generated ZnS //ACS Sustainable Chemistry & Engineering. – 2015. – Т. 3. – №. 5. – С. 969-977.
   
5. 
   Bak D., Kim J. H. Facile fabrication of pseudo-microspherical ZnO/CdS core-shell photocatalysts for solar hydrogen production by water splitting //Ceramics International. – 2017. – Т. 43. – №. 16. – С. 13493-13499.
   
6. 
   Wang S. et al. Direct Z-scheme ZnO/CdS hierarchical photocatalyst for enhanced photocatalytic H2-production activity //Applied Catalysis B: Environmental. – 2019. – Т. 243. – С. 19-26.
   

Москва 2021