1. 研究目的与意义
人类对化石燃料的过度开发和使用造成了严重的能源危机和环境污染问题，因此，用清洁的再生能源取代非再生能源一直以来都是科学界的一大研究热点。近年来，太阳能光催化分解水制氢凭借其低成本、高活性以及清洁无污染等优点，倍受人们的关注。科学家们发现，在半导体上可以实现光催化分解水产氢，可以同时有效地解决能源危机和环境污染，具有十分重大的意义。
然而，要实现太阳能光解水制氢的实用化，首先需要解决两大重要问题：一是制备高效、稳定、低成本的可见光活性催化剂，二是构建高效、稳定的光催化产氢体系。性能良好的半导体光催化剂CdS，为人们提高光催化产氢性能提供了新途径。为此，本课题将以CdS为基础，使用MoS2和氧化石墨烯两种二维层状材料作为高活性助催化剂，通过水热反应制备复合催化剂，进而研究光催化产氢活性。
2. 课题关键问题和重难点
关键问题：
1. 抑制电子-空穴的复合
催化剂的加入，不仅可以提供反应活性位点，还可以降低析氢反应的过电位。贵金属不仅价格昂贵，且资源稀少，不利于大规模的工业化应用，因此人们越来越多地关注非贵金属助催化剂的开发和应用。
3. 国内外研究现状（文献综述）
能源和环境两大问题已成为全球所关注的焦点，煤炭、石油、天然气等化石燃料的长期使用，导致化石能源的日益枯竭，从而使一些石油化工副产品也受到一定限制。与此同时，化石燃料在燃烧过程中会产生大量有害的气体，如SOx、NOx、COx，导致环境污染和温室效应，造成全球的气候变化，因此，开发洁净的可再生能源越来越受到关注。
众所周知，氢能已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源。这是因为氢的燃烧水是它的唯一产物。另外氢无臭无毒，储存、运输方便、使用安全。氢在大气中并不存在，但大量地存在于各种水中。光催化分解水制氢的过程就是将太阳光能转化为化学能的过程，半导体催化剂的价带是满的，而其导带是空的，从而当吸收的光能大于或者等于半导体光催化剂的禁带宽度的时候，价带将会吸收光能，而将电子激发到导带上，导带上就存在光生电子、价带上就留下光生空穴，空穴-电子对分别氧化还原水，即导带上的电子还原水生成H2，而带正电的空穴则氧化水产生O2。[1]
在光催化反应中起到将太阳能转化为氢能的中间媒介作用的是半导体光催化剂。而大部分的半导体光催化剂，例如TiO2，SrTiO3，只能利用紫外光。CdS是典型的Ⅱ-VI族半导体光催化剂。CdS的导带电势要高于质子还原产生氢气的电势，可以用于光催化产氢。CdS的带隙为2.4eV，能够利用可见光产氢。[2]但是CdS存的自身的一些缺陷限制了CdS在光催化产氢方面的应用。一方面CdS本身光生电荷复合的速率较快，光催化产生氢气的活性较低。因此为了提高CdS光催化产氢的活性，就需要在CdS的表面负载贵金属，例如Pt，当贵金属负载在光催化剂的表面上，由于贵金属具有较大的功函数和较低的费米能级，能够较容易地使光生电子从光催化剂表面转移到贵金属表面，促进光准化剂上光生电子和产穴的分离；同时提高其光催化产氢活性，降低产氢过电位。CdS最为半导体光催化剂的另一个缺点是易发生光腐蚀。通常需要加入电子牺牲剂来消耗CdS的空穴，如硫化钠/亚硫酸钠。[3]
4. 研究方案
（1） 以MoS2为基础，制备复合催化剂，制备一系列不同配比的Zn0.5Cd0.5S/MoS2固溶体等。催化剂通过水热法制得；通过比表面积（BET）、X-射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、程序升温还原（TPR）、红外光谱（IR）、拉曼光谱（Raman）等表征手段研究催化剂的化学组成、分子结构、热稳定性、表面活性基元；
（2） 在Zn0.5Cd0.5S/MoS2体系中，添加还原氧化石墨烯形成复合催化剂，探究其对光催化反应的影响；
（3） 将催化剂用于催化反应，利用气相色谱法检测氢气；
5. 工作计划
第一学期1-17周：打扫实验室，阅读文献，了解和掌握研究背景和研究现状，提出研究问题，制定研究方法；
第一学期17-19周：开始实验，制备出多种以MoS2为助催化剂、以Zn0.5Cd0.5S为助催化剂的复合催化剂，并且将催化剂用于光催化产氢反应中；
第二学期1-5周：完成外文翻译，完成开题报告并进行修改；实验方面添加还原氧化石墨烯，探究其对光催化反应的影响，找出最佳反应条件，如配比、温度、时间等；
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