能带工程调控的锰掺杂硫化镉光催化剂在页岩气返排废水中的高效光催化制氢研究

本文通过水热法成功制备了MnxCd1-xS系列光催化剂，在页岩气返排废水中实现了10937.3 μmol/g/h的产氢速率（太阳能-氢能转化效率0.31%），较纯CdS和MnS分别提升6.7倍和109.8倍。研究揭示了Mn2+掺杂通过带隙调控（bandgap engineering）优化载流子分离/传输的机制，为复杂废水体系中的能源回收提供了新策略。

　　

亮点

• Mn_0.3Cd_0.7S在复杂废水体系中实现突破性产氢活性

• 带隙工程（bandgap engineering）精准调控导带位置

• 过量Mn²⁺掺杂（x>0.3）导致载流子复合加剧

光催化产氢性能

Mn_xCd_1-xS的产氢性能呈现"火山型"曲线（图2）。最优组分Mn_0.3Cd_0.7S表现出类零级反应动力学特征，在模拟太阳光下持续稳定产氢。其卓越性能源于：1）Mn掺杂诱导的导带位置正移增强了还原能力；2）适中的带隙宽度（2.4 eV）平衡了光吸收与载流子分离效率。

结论

本研究通过简易水热法构建了Mn_xCd_1-xS固溶体光催化剂，在页岩气废水中创下10937.3 μmol/g/h的产氢记录。机理研究表明，30% Mn掺杂量可实现带隙（bandgap）从2.25 eV（CdS）到2.40 eV的精准调控，同时抑制了Cd²⁺溶出（<1 ppm）。该工作为重金属减排与废水能源化（waste-to-energy）提供了创新解决方案。