CdS/Mg⁃CdIn2S4异质结构筑及CO2光还原性能研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.05.004

摘要/Abstract

摘要：

CdS在可见光区具有优异的光化学性能和高量子效率，但其光催化稳定性明显受光腐蚀限制，构筑CdS/Mg?CdIn₂S₄异质结可抑制光腐蚀并提升其光催化稳定性。采用离子交换法制备CdS纳米线(CdS NWs)、CdS纳米颗粒(CdS NPs)和Mg?CdIn₂S₄纳米片(NSs)，并构筑5%CdS NWs/Mg?CdIn₂S₄（5%为CdS NWs的质量分数）和5%CdS NPs/Mg?CdIn₂S₄（5%为CdS NPs的质量分数）异质结；通过XRD、UV?vis DRS、FT?IR光谱、N₂吸脱附等温测试及瞬态光电流和电化学阻抗对光催化剂进行了表征。结果表明，CdS NWs/Mg?CdIn₂S₄和CdS NPs/Mg?CdIn₂S₄异质结成功构筑；在光反应系统对催化剂进行的性能评价中，二者均展现出良好的光催化CO₂还原性能，其中CdS NWs/Mg?CdIn₂S₄展现出更为突出的光催化CO₂还原性能，CO和H₂的产率分别为716.7 μmol/（g·h)和664.3 μmol/（g·h)，分别比Mg?CdIn₂S₄提高了46.2倍和56.8倍。研究结果为光催化CO₂还原领域的深入研究和应用奠定了基础，具有重要的学术和实际意义。

关键词: CdS/Mg?CdIn₂S₄, 异质结构, 光催化, CO₂还原

Abstract:

CdS exhibits excellent photochemical properties and high quantum efficiency in the visible light region, however, its catalytic stability is significantly compromised by photocorrosion. Constructing CdS/Mg?CdIn₂S₄ heterojunctions can effectively suppress photocorrosion and enhance the material's overall stability. In this study, CdS nanowires (CdS NWs), CdS nanoparticles (CdS NPs), and Mg?CdIn₂S₄ nanosheets (NSs) were prepared using the ion exchange method, and heterojunctions of 5% CdS NWs/Mg?CdIn?S? (5% by mass fraction of CdS NWs) and 5% CdS NPs/Mg?CdIn?S? (5% by mass fraction of CdS NPs) were constructed. The photocatalysts were characterized using X?ray diffraction (XRD), UV?vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS), Fourier?transform infrared (FT?IR) spectroscopy, N₂ adsorption?desorption isothermal analysis, transient photocurrent measurements, and electrochemical impedance spectroscopy. The results confirmed the successful construction of both CdS NWs/Mg?CdIn₂S₄ and CdS NPs/Mg?CdIn₂S₄ heterojunctions. The catalytic performance was evaluated in a photoreaction system, both heterojunctions possess significant capabilities for the photocatalytic reduction of CO₂. Notably, the CdS NWs/Mg?CdIn₂S₄ heterojunction exhibited superior photocatalytic performance, achieving CO and H₂ production rates of 716.7 μmol/（g·h) and 664.3 μmol/（g·h), respectively. These values represent a 46.2?fold and 56.8?fold enhancement compared to pristine Mg?CdIn?S?.Consequently, this work provides a solid foundation for further research and practical applications in the field of photocatalytic CO₂ reduction, underscoring significant academic and practical significance.

Key words: CdS/Mg?CdIn₂S₄, Heterostructure, Photocatalysis, CO₂ reduction

中图分类号:

TE09

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图/表 12

图1 CdS NPs、CdS NWs、Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4、CdS NPs/Mg?CdIn2S4的TEM图和HRTEM图

Fig.1 TEM images and HRTEM images of CdS NPs，CdS NWs，Mg?CdIn2S4，CdS NWs/Mg?CdIn2S4，CdS NPs/Mg?CdIn2S4

图2 CdS NWs/Mg?CdIn2S4的HAADF?STEM图和元素分布图（a） HAADF?STEM图（b） Cd （c） S （d）In （e） O （f） Mg

Fig.2 HAADF?STEM images and element EDX mapping of CdS NWs/Mg?CdIn2S4

图3 Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4、CdS NPs/Mg?CdIn2S4、CdS NWs和CdS NPs的X射线衍射光谱图

Fig.3 X?ray diffraction spectra of Mg?CdIn2S4, CdS NWs/Mg?CdIn2S4, CdS NPs/ Mg?CdIn2S4, CdS NWs and CdS NPs

图4 Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4、CdS NPs/Mg?CdIn2S4、CdS NWs和CdS NPs的傅里叶变换红外光谱

Fig.4 FT?IR spectroscopy of Mg?CdIn2S4, CdS NWs/Mg?CdIn2S4, CdS NPs/Mg?CdIn2S4, CdS NWs and CdS NPs

图5 Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4、CdS NPs/Mg?CdIn2S4、CdS NWs和CdS NPs的氮吸附等温线和孔径分布

Fig.5 Nitrogen adsorption?desorption isotherms and graph of pore size distribution of Mg?CdIn2S4, CdS NWs/Mg?CdIn2S4, CdS NPs/ Mg?CdIn2S4, CdS NWs and CdS NPs

表1 Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4、CdS NPs/Mg?CdIn2S4、CdS NWs和CdS NPs的孔结构参数

Table 1 Parameters of the pore structure for Mg?CdIn2S4, CdS NWs/Mg?CdIn2S4, CdS NPs/Mg?CdIn2S4, CdS NWs and CdS NPs

样品	S_比表面积/(m²·g^-1)	平均孔径/nm	V_总/(cm³·g^-1)	S_外孔/(cm²·g^-1)
Mg⁃CdIn₂S₄	3.3	28.3	0.013 1	1.3
CdS NWs/Mg⁃CdIn₂S₄	4.7	30.5	0.021 6	2.3
CdS NPs/Mg⁃CdIn₂S₄	9.5	16.9	0.034 2	5.9
CdS NWs	25.5	32.4	0.182 3	15.5
CdS NPs	37.4	15.5	0.145 1	36.9

图6 Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4、CdS NPs/Mg?CdIn2S4、CdS NWs和CdS NPs的UV?vis DRS光谱

Fig.6 UV?vis DRS spectra of Mg?CdIn2S4, CdS NWs/Mg?CdIn2S4, CdS NPs/Mg?CdIn2S4, CdS NWs and CdS NPs

图7 Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4、CdS NPs/Mg?CdIn2S4、CdS NWs和CdS NPs的带隙能量

Fig.7 Band gap energy of Mg?CdIn2S4, CdS NWs/Mg?CdIn2S4, CdS NPs/Mg?CdIn2S4, CdS NWs and CdS NPs

图8 Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4、CdS NPs/Mg?CdIn2S4、CdS NWs和CdS NPs的VB?XPS光谱

Fig.8 VB?XPS spectra of Mg?CdIn2S4, CdS NWs/Mg?CdIn2S4, CdS NPs/Mg?CdIn2S4, CdS NWs and CdS NPs

图9 Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4和CdS NPs/Mg?CdIn2S4的光催化CO2还原活性

Fig.9 Photocatalytic CO2 reduction activity of Mg?CdIn2S4, CdS NWs/Mg?CdIn2S4 and CdS NPs/Mg?CdIn2S4

图10 CdS NWs/Mg?CdIn2S4的循环使用性能

Fig.10 Recycling performance over CdS NWs/Mg?CdIn2S4

图11 Mg?CdIn2S4、CdS NWs/Mg?CdIn2S4、CdS NPs/Mg?CdIn2S4、CdS NWs和CdS NPs的光电性能

Fig.11 Photoelectric performance of Mg?CdIn2S4, CdS NWs/Mg?CdIn2S4, CdS NPs/Mg?CdIn2S4, CdS NWs and CdS NPs

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CdS/Mg⁃CdIn₂S₄异质结构筑及CO₂光还原性能研究

Research on the Construction of CdS/Mg⁃CdIn₂S₄ Heterostructures and Their Catalytic Performance in CO₂ Photoreduction

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