异质结半导体CdS-TiO2的制备及光催化性能研究(4)

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1.2.4 CdS半导体光催化剂简介

CdS是一种非常重要的光电半导体材料，属于n型半导体，通过满带的电子导带，它的晶格内存在大量的S族空位，在光、电、磁、催化等方面有着非常重要的应用，它属于典型的Ⅱ-Ⅳ族半导体，禁带宽度为2.4eV，是一种具有可见光(可见光占太阳光的近43%)响应的光催化剂，能够直接利用太阳光催化降解有机污染物，是一种非常具有应用前景的光催化剂。国外学者对CdS光催化性能的研究主要集中在光催化产氢上。另外有研究表明利用太阳光作为光源，CdS对苯胺的光催化降解作用。可以证实单独使用CdS作为催化剂具备催化降解能力。由于其在可见光下具备较好的光电转化特性，被用作太阳能电池的窗口材料。另外在传感器、发光二极管、光催化等领域也有很大的应用潜能。但是CdS晶体自身最大的特征是其光照下的不稳定性。一般金属硫化物半导体的主要缺点都在于其光催化下的腐蚀过程，而量子化的金属半导体相对于一般粒子更容易被光腐蚀。因此，要应用CdS晶体作为光电器件、光催化剂，我们首先必须提高其稳定性，通过对它进行复合、负载、化学镀膜等过程形成一系列的复合型纳米粒子和复合薄膜，从而改变其表面的微环境，改善CdS晶体的光稳定性。

1.3复合半导体光催化剂

1.3.1复合半导体的概念及意义

所谓复合型纳米粒子是指由两种或两种以上物质在纳米尺度上以某种方式结合在一起而构成的复合粒子，复合的结果不仅能有效地调节单一材料的性能，而且往往会产生许多新的特性。而复合半导体是一类非常具有研究价值的复合型纳米粒子，当两种或两种以上的半导体形成具有一定微观结构的复合体系后，其光化学、光物理方面的性质都会发生很大的改变。

复合半导体的意义首先在于复合具有不同能带结构的半导体微粒，为利用窄带隙的半导体敏化宽带隙的半导体纳米颗粒提供可能性，这对以宽带隙半导体作为催化剂的光化学反应具有重要的意义。其次在二元复合半导体中，两种半导体之间的能极差能使光生载流子由一种半导体微粒的能级注入到另一种半导体的能级上，导致了长期有效和长期的电荷分离，这在能量转化和发光二极管方面有很大的应用价值。另外，不同金属离子的配位及电荷性不同而产生过剩电荷，也会增加半导体俘获质子或电子的能力，从而提高光催化剂的活性。复合半导体可分为半导体/半导体复合物和半导体/绝缘体复合物两大类，其中研究最多的是氧化物敏化TiO2体系和硫化物敏化TiO2体系[17]。

1.3.2 CdS-TiO2复合半导体

使用半导体异质结的目的是为了提高载流子分离效率来提高光催化效果。将CdS与光稳定性非常好的纳米TiO2复合形成的CdS-TiO2复合半导体是研究最深入的复合体系。TiO2光催化剂具有高光催化活性，稳定性，无毒性及价格便宜等优点，但是TiO2半导体的能带较宽（Eg=3.2eV）特别是TiO2的粒径达到纳米级时，它的吸收会发生进一步蓝移，只能利用到达地表的太阳光中部分的紫外光(3%-4%)。CdS的禁带宽度(2.4eV)比TiO2的带隙(3.2eV)窄，能够吸收可见光的能量而受到激发，而且CdS的导带位置比TiO2的高约0.5eV，这使光生导带电子能够注入TiO2的导带上，产生有效的电荷分离，提高了光催化剂的量子效率。

CdS与TiO2形成复合半导体，理想的模式为核壳结构，TiO2在外层为壳包覆着内部的CdS晶核。但是事实上，CdS的晶体为闪锌矿立方相模型和纤锌矿六方相模型两种，而TiO2的晶型有锐钛矿、金红石框和板钛矿三种，均是由八面体结构的晶胞组成，而且TiO2晶体一般比CdS要大，它们晶面间也不是特别吻合，所以要做到完全包覆实际很难做到。一般只能形成两者互相包覆或者部分包覆。