层状MoS2/Cu2O复合半导体的制备及其光催化性能研究

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二硫化钼是具有类石墨烯结构的典型层状过渡金属硫属化合物,二维Mo S2是一种典型的二维材料。在从三维材料变为二维材料时,由于强烈的各向异性、量子尺寸效应、比表面积急速增加,使Mo S2具有独特的机械、光、电、储能、催化以及气敏特性,在电子器件、光学器件、固体润滑剂、催化剂、超电容、锂电池等领域具有广阔的研究价值,而且Mo S2储量丰富、价格低廉,适合工业化大规模生产,成为近年来研究比较深入的二维材料。半导体Mo S2的能带结构随着自身层数的减少而变化,人们可以按照自身的意愿有目的地控制Mo S2层数来得到合适的能带,具有广阔的研究价值和应用意义。由于二维Mo S2的半导体特性、能带可控性、大量暴露的活性位点,使其在光电化学领域,特别是光催化应用得到了广泛的关注。单层Mo S2的1.8e V带隙宽度合适能吸收可见光,其直接带隙结构有利于电子跃迁,层状边缘悬挂键多活性强,但其制备方法和低催化活性限制了它的发展。目前Mo S2普遍是作为助催化剂和复合半导体出现在高效光催化剂中的,单独高效的Mo S2光催化剂还有待研究。复合半导体光催化剂以其有效的分离电子空穴对、较高的光催化活性而出名,它的设计和制备关键是寻找合适的两个或多个半导体材料,要求其能带结构匹配、半导体材料之间能形成异质结、材料表面有大量活性位点。二维Mo S2的比表面积大、能带结构能由其层数调控、层状边缘有大量不饱和活性位点、自身n型半导体特性,与能响应可见光的p型半导体Cu2O可以组成很好复合半导体。因此,寻找简单、易行、低廉、温和的制备方法,有目的地控制两者的能级匹配、形成更多更紧密的异质结,制备出高效的复合半导体光催化剂,对于光催化剂的设计和基础研究及实际应用都有十分重要的指导意义。我们通过复合半导体在光催化降解活性的提高来研究设计和制备具有高催化活性的复合半导体光催化剂。本文通过制备方法、Mo S2形貌、Mo S2含量来研究复合半导体Mo S2/Cu2O如何更好地分离光生电子空穴对,抑制光生载流子的复合来提高它的光催化活性。(1)基于复合半导体的光催化活性提高的原理,使用水热合成法在Mo S2纳米片上生长出Cu2O纳米颗粒,形成复合半导体Mo S2/Cu2O。通过对比少数层Mo S2、Cu2O、Mo S2/Cu2O的光催化活性,验证了光催化剂设计的合理性。(2)基于Mo S2/Cu2O光催化活性与异质结相关的联系,通过化学合成方法和物理合成方法制备出相同组分含量的Mo S2/Cu2O,探究了异质结对光催化活性的影响和制备方法对异质结形成的影响。(3)基于Mo S2的带隙宽度、导带价带电位与它的层数密切相关,通过液相剥离法和梯度离心法将块状Mo S2剥离为不同厚度的Mo S2悬浮液,随着Mo S2厚度的减少,Mo S2的比便面积增大,带隙宽度变大、导带价带电位增高,光生电子空穴对的氧化还原能力增强,有利于光催化反应的进行。水热合成出具有不同Mo S2厚度的Mo S2/Cu2O,并探究其光催化活性。(4)基于已知Mo S2/Cu2O光催化活性较高的Mo S2最佳厚度,探究Mo S2含量对Mo S2/Cu2O光催化活性的影响,结果表明Mo S2含量的增多会增加异质结的形成,提高光催化活性,但过多的Mo S2会降低其光催化活性。(5)基于(3)和(4)得到了光催化活性相对最高的Mo S2/Cu2O,与其在光催化循环稳定性和光催化还原重金属离子上做了对比,结果表明Mo S2/Cu2O在循环稳定性和还原重金属离子上都优于Cu2O。
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