一種MoS2/CNTs/C60複合光催化劑及其製備方法與流程
2023-10-20 16:42:47 7
本發明屬於納米光催化材料技術領域。
背景技術：
隨著工業化進程的加快，環境汙染、生態破壞和氣候異常等問題日益嚴重，積極發展新能源以降低汙染物排放顯得極為迫切。太陽能，作為一種取之不盡的新型能源，收到世界各國的廣泛關注。光催化技術(photocatalytictechnique)以半導體材料為光催化劑，自然光作為激發，通過汙染物分子的界面作用實現特殊的催化效應，使周圍的氧氣及水分子激發成極具氧化力的自由負離子，從而達到降解環境中有害有機物質的目的。該方法不會造成資源浪費與附加汙染的形成，可有效利用太陽光作為光源以緩解能源危機，且操作簡單，是一種綠色環保的高效處理技術。
mos2作為一種層狀共價化合物，結構比較穩定不易被氧化而形成硫酸鹽，是一種很有前景的光催化材料。mos2能吸收可見光頻率的光子，且其導帶和價帶的邊緣電位稿，非常有利於載流子的分離。不同價態的金屬鉬的d電子數目各不相同同時它們在d軌道的填充方式也各不相同。我們可通過調節它的維度形成異質結構，因為硫化鉬的各向異性和獨特的晶格結構，二硫化鉬被視為理想的催化劑。遺憾的是，單一相的mos2材料在光催化降解中存在光腐蝕問題，並且其吸收光波長範圍仍有待改善，光催化效率也需要進一步提高。因此，需要通過對其進行改性進一步提高其光催化效率及光穩定性。
c60具有獨特的電子性能是碳的一個同素異形體。c60的閉殼結構由30個鍵合分子軌道和60個π電子組成的，這種結構利於電子轉移，同時使其可以作為一個優秀的電子受體，有效地引起快速光誘導電荷分離和相對較慢的電荷重組。cnts具有特殊的管狀結構和優良的傳導性能，使其可以有效地傳遞光電子，而其在處理有機物汙染物和裂解水方面的光催化活性。
碳納米管(cnts)為管狀結構且具有良的傳導性，使得cnts可以有效地傳遞光電子。因此，cnts在處理有機物汙染物和裂解水方面有很高的光催化活性。
以上三種材料雖然都具有很高的催化活性但是如何進一步提高材料催化活性，彌補單一材料的不足之處是目前需要解決的重要問題。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明採用共沉澱技術製備mos2/cnts/c60複合光催化劑。mos2/cnts/c60之間形成異質結，提高了光電荷的分離效率，以及cnts/c60的加入有效地提高了光催化的比表面積和光吸收效率，有利於光催化效率的提高。
mos2/cnts/c60複合光催化劑，中mos2所佔質量比為3％～9％，cnts與c60質量比為1:1；該複合催化劑為片狀形貌，複合結構中以片狀mos2為基底，在其表面複合cnts/c60複合物得到；其中，mos2尺寸為200～500nm，厚度為50～80nm，cnts的直徑為20nm，長度為8～10μm。
1)水熱法製備mos2；
2)cnts/c60複合物的製備：按照質量比1:1稱取c60與cnts，將二者按照5mg/ml的比例分散於無水乙醇中，分散均勻後在外加攪拌條件下持續12h，然後置於80～100℃條件下乾燥，得到cnts/c60複合物；
3)mos2/cnts/c60複合物的製備：
0.9～2.7:30比例稱取水熱法製備的mos2和cnts/c60複合物，將二者按照1.5～5mg/ml的比例分散於無水乙醇中，分散均勻後在外加攪拌條件下持續3h，然後置於80～100℃條件下乾燥，得到mos2/cnts/c60複合物；
步驟1)中水熱法製備mos2的具體步驟如下：
按照質量比為0.37～0.38:1的比例稱取鉬酸鈉和硫脲溶於去離子水中，完全溶解後再超聲分散30min以上，得到混合溶液，混合溶液中鉬酸鈉濃度為0.19～0.20mol/l；將混合溶液轉移至反應釜中，充填度為65％，在240℃條件下反應24h後自然冷卻至室溫；用去離子水和乙醇分別洗滌後，在60℃條件下乾燥，得到片狀mos2。
附圖說明
圖1c60和所製備的mos2、mos2/c60、mos2/cnts、cnts/c60以及mos2/cnts/c60複合光催化劑的x射線衍射(xrd)譜圖。
圖2c60和所製備的mos2、mos2/c60、mos2/cnts、cnts/c60以及mos2/cnts/c60複合光催化劑的傅立葉紅外(ft-ir)譜圖。
圖3所製備的mos2/cnts/c60複合光催化劑的x射線光電子能譜(xps)圖。
圖4所製備複合催化劑mos2/cnts/c60的掃描電鏡(sem)照片。
圖5所製備複合催化劑mos2/cnts/c60的透射電鏡(tem)照片。
圖6所製備的mos2、mos2/cnts、mos2/c60、cnts/c60以及mos2/cnts/c60複合光催化劑在可見光條件下降解羅丹明b的光催化反應譜圖。
具體實施方式
下面以具體實施例的方式對本發明技術方案作進一步解釋和說明。
1.mos2的製備：採用水熱合成法，將0.15g鉬酸鈉和0.4g硫脲共溶於32.5ml去離子水中，在磁力攪拌器上攪拌30min。攪拌結束後再超聲分散30min。將超聲後的溶液裝入內襯聚四氟乙烯不鏽鋼反應釜中，充填度為65％，加熱到240℃並保持24h後自然冷卻至室溫。用去離子水和乙醇分別洗滌3次後，在60℃條件下將產物進行乾燥。
2.cnts/c60的製備：將50mgcnts和50mgc60超聲30min分散於20ml無水乙醇中，在磁力攪拌器上攪拌12h後，於乾燥箱內80℃烘乾，即得cnts/c60。
3.mos2/cnts/c60的製備：將0.9mgmos2和30mgcnts/c60超聲1h分散於20ml無水乙醇中，在磁力攪拌器上攪拌3h後，於乾燥箱內80℃烘乾，即得mos2/cnts/c60。
結構和形貌的表徵
從圖1可知所製備的mos2/cnts/c60複合光催化劑中含有硫化鉬、cnts和c60的特徵峰且沒有其他雜峰出現，可知所製備的mos2/cnts/c60複合光催化劑僅含有mos2、cnts和c60。
如圖2所示，所有c60的特徵峰(1427cm-1、1180cm-1、575cm-1、528cm-1)以及cnts的特徵峰(3450cm-1、1634cm-1、1375cm-1、1100cm-1)都可以從mos2/cnts/c60圖譜中可以觀察到，說明cnts和c60的成功負載。
如圖3所示，c1s的峰在284.2ev(c-c)。mo3d的峰分別在228.7ev和232.0ev可知鉬的存在形式為mo4+，s2p的峰分別出現在161.5ev和162.7ev可知的存在形式為s22-。
圖4為所製備的mos2/cnts/c60樣品的sem照片，其形貌為片狀附著碳納米管。圖5為所製備的mos2/cnts/c60的tem照片亦可看出其形貌為片狀附著碳納米管。
光催化活性試驗
使用rhb作為模型化合物對所製備樣品的光催化性能進行評價。rhb是一種非常穩定的化合物，已被廣泛用作代表性物質來檢查眾多可見光催化劑的反應活性。在實驗中，在100ml0.01mmoll-1的rhb溶液中加入0.01g催化劑並放入玻璃反應器中。採用500w氙燈(λ＞420nm)照射。將420nn濾波器插入燈和樣品之間以除去紫外光(λ＜420nm)。在可見光照明之前將懸浮液在黑暗中強烈攪拌10分鐘。然後將溶液在磁力攪拌下暴露於可見光照射。在給定的時間間隔，定期收集和分析4ml的懸浮液。通過uv-2550紫外光譜儀對rhb濃度進行分析，在紫外可見光的最大波段為552nm時記錄吸收光譜強度。
由圖6可以看出mos2/cnts/c60催化劑較純相mos2、mos2/cnts、mos2/c60及cnts/c60光催化效率有大幅度提高，其中6％mos2/cnts/c60光催化效率最高，經可見光照射45minrhb降解率可達100％。