一種氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構超聲近紅外光催化劑及製備方法與流程

2023-05-01 17:27:46 4

本發明涉及光催化劑技術領域，具體涉及一種由壓電效應引起的具有超聲輔助近紅外光催化效果的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構及其製備方法。

背景技術：

光催化是一種在催化劑存在下的光化學反應，是光化學與催化劑的有機結合。光催化劑利用自然界存在的光能轉化為化學反應所需的能量，從而產生氧化能力較強的自由負離子，以實現催化作用，是近年來發展起來的一種節能、高效綠色環保新技術。但是其作為新功能材料的研發，也面臨很多局限性，如催化效率不高、催化劑失活、二次汙染、太陽光利用率低等。基於此，開發和構建異質結構已成為目前獲得新型高性能光催化材料的重要手段。如對於傳統的二氧化鈦光催化劑及其衍生光催化劑禁帶寬度較寬，光吸收僅限於紫外部分以及部分可見光區，而紫外區以及可見光區在太陽光中所佔的比例分別為5％和48％左右，而佔太陽光大部分能量的紅外光卻沒得到充分的利用。在太陽光譜中，近紅外光佔總能量的44％，因此近紅外光譜區(780-2526nm的區域)的光催化具有很大研究潛力。基於此，開發利用近紅外光以獲得新型高性能光催化材料是目前工作著重點之一。

壓電效應是電介質材料中一種機械能與電能互換的現象。壓電效應有兩種，正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應，即當晶體受到某固定方向外力的作用時，內部就產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去後，晶體又恢復到不帶電的狀態；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。過渡金屬硫族化合物硫化鉬具有二維層狀結構，當其幾何尺寸，尤其是厚度減小到納米尺度範圍內時，受到量子限域等效應影響，表現出一系列獨特的光電性質。比如，塊體硫化鉬是間接帶隙半導體，而單層硫化鉬則是直接帶隙的半導體，其能帶隙為1.8ev，並具有顯著的光致螢光現象，從而成為一種新型的二維半導體納米材料。納米尺度的層片狀硫化鉬材料不僅比表面積大，吸附能力強，層內是很強的共價鍵，層間則是較弱的範德華力,層與層很容易剝離，同時由于禁帶寬度窄，能很好地克服其它半導體材料對可見光吸收低的缺陷，因此在光催化領域有很大的研究意義和應用潛力，同時層片狀硫化鉬具有一定的壓電效應，此外由於表面可以負載金屬和氧化物等，日益成為研究的熱點。

超聲波在分解過程中產生的氣穴現象能夠對溶液中的固體顆粒產生極微小的噴射，作用於具有壓電效應的光催化劑，導致電子的定向傳輸，有效促進電子空穴的有效分離，可提高光催化劑的催化活性。

氧化銀納米顆粒禁帶寬度0.8-1.05ev，具有潛在的近紅外光催化效果，是大家熟知的能被可見光激發的半導體材料，無毒成本低，受到廣泛研究。迄今為止，對於氧化銀納米顆粒與硫化鉬納米片複合形成的異質結構，並利用氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構作為光催化劑及其在超聲輔助協同近紅外光催化的應用還未見報導。

技術實現要素：

為了解決現有技術中光催化劑只能吸收紫外和可見光的問題，本發明目的之一是提供一種由壓電效應引起的具有超聲輔助近紅外光催化效果的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構催化劑。

本發明目的之二是提供一種由壓電效應引起的具有超聲輔助近紅外光催化效果的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構催化劑的製備方法。

本發明的第三個目的是提供一種超聲輔助光催化在氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構近紅外光催化中的應用。

本發明的第四個目的是提供一種氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構超聲近紅外光催化劑在光催化降解汙染物中的應用。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構超聲近紅外光催化劑，催化劑由邊長尺寸為50-100nm的硫化鉬納米片和在其表面負載的直徑為20～40nm的氧化銀納米顆粒構成，其中以摩爾比計，氧化銀:硫化鉬＝2:1～1:4。

優選的，上述催化劑由邊長尺寸為50～100nm的硫化鉬納米片和在其表面負載的直徑為20～40nm的氧化銀納米顆粒構成，其中以摩爾比計，氧化銀:硫化鉬＝1:2。

本發明製備的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構光催化劑一方面結合了優良近紅外光光催化劑氧化銀納米顆粒以及硫化鉬納米片的性質，另一方面在超聲作用下，硫化鉬納米片的壓電效應有利於載流子分離，另外產生的載流子，提高了氧化銀的光催化反應活性。

一種氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構的製備方法，具體步驟如下：

步驟1：按照氧化銀和硫化鉬的摩爾比確定硝酸銀的量，將硝酸銀和硫化鉬納米片添加到去離子水中攪拌並充分溶解製備第一混合液。

步驟2：將一定量的氫氧化鈉溶液逐滴滴入到第一混合液中，充分攪拌得到第二混合液。

步驟3：過濾第二混合液得到沉澱物，將得到的沉澱物用去離子水洗滌，然後將洗滌後的沉澱物真空乾燥後取出製成的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構。

本發明採用水熱沉澱法反應製備氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構，合成工藝及設備簡單，操作過程簡單，生產成本低、效率高，反應周期短，重複性好，工業化應用前景廣闊。製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構，在超聲輔助光催化過程中具有優異的近紅外光催化效果，促進了近紅外光照下的光催化效應。

優選的，步驟1中所述氧化銀和硫化鉬納米片的摩爾比為2:1～1:4。

優選的，步驟1中所述氧化銀和硫化鉬納米片的摩爾比為1:2。

優選的，步驟2中所述氫氧化鈉的物質的量為0.5～2摩爾。

優選的，步驟2中所述氫氧化鈉的物質的量為0.5摩爾。

優選的，步驟1和步驟2中所述攪拌採用磁力攪拌，攪拌時間為0.2～0.5小時。

優選的，步驟1和步驟2中所述攪拌採用磁力攪拌，攪拌時間為0.5小時。

優選的，步驟3中將洗滌後的沉澱物真空乾燥溫度為60℃，時間為12小時。

一種超聲輔助光催化在氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構近紅外光催化中的應用。

氧化銀/硫化鉬納米片異質結構在超聲條件下，由於空化作用，當作用於具有納米片結構的硫化鉬上時，會使納米壓電材料產生形變。由於納米壓電材料的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，從而使納米壓電材料表面產生相反電荷，促進載流子的分離，使得機械能轉化為化學能，同時又在光照的作用下，進一步提高了氧化銀的光催化活性。同時超聲波在分解過程中產生的氣穴現象能夠對溶液中的固體顆粒產生極微小的噴射，作用於具有壓電效應的光催化劑，導致電子的定向傳輸，有效促進電子空穴的有效分離，可提高光催化劑的催化活性。

一種氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構超聲近紅外光催化劑在光催化降解汙染物中的應用。

相對現有技術，本發明的有益效果是：

(1)本發明製備的由硫化鉬納米片和在其表面負載氧化銀納米顆粒的氧化銀/硫化鉬納米片異質結構超聲光催化劑，以壓電材料硫化鉬為基質，表面負載具有高催化活性、具有近紅外光催化效果的氧化銀納米顆粒，一方面結合了優良近紅外光催化劑氧化銀以及硫化鉬的性質，另一方面在超聲作用下，藉助硫化鉬的壓電效應有利於載流子分離，另外產生的載流子，提高了氧化銀的光催化反應活性。

(2)本發明採用水熱沉澱法反應製備氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構，合成工藝及設備簡單，操作過程簡單，生產成本低、效率高，反應周期短，重複性好，工業化應用前景廣闊。製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構，在超聲輔助光催化過程中具有優異的近紅外光催化效果，促進了近紅外光照下的光催化效應。

(3)本發明的氧化銀/硫化鉬納米片異質結構在超聲條件下，由於空化作用，當作用於具有納米片結構的硫化鉬上時，會使納米壓電材料產生形變。由於納米壓電材料的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，從而使納米壓電材料表面產生相反電荷，促進載流子的分離，使得機械能轉化為化學能，同時又在光照的作用下，進一步提高了氧化銀的光催化活性。

附圖說明

圖1為實施例3中製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構的透射電鏡圖。

圖2為實施例3中製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構、氧化銀納米顆粒和硫化鉬納米片在近紅外光照射下超聲和磁力攪拌對甲基橙溶液的光催化降解率和時間的變化曲線圖。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

下面結合附圖1至2和實施例對本發明進一步說明，以便於同行業技術人員的理解：

下述實施例1至實施例5中採用的原料為氫氧化鈉溶液、硫化鉬納米片、硝酸銀溶液和去離子水，所使用的設備有用於混合的燒杯、磁力攪拌器、水熱反應釜、透射電鏡和cel-sph2n光催化活性評價系統。製取氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構時，首先將硝酸銀和硫化鉬納米片添加到去離子水中攪拌並充分溶解製備第一混合液。然後將氫氧化鈉溶液逐滴滴入到第一混合液中，充分攪拌得到第二混合液，過濾第二混合液得到沉澱物，最後將分離到的沉澱物洗滌並真空乾燥製得氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構。取出製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構後，還需通過掃描電鏡和光催化效果測試系統進行觀察分析。

實施例1

首先量取0.5摩爾的硝酸銀溶液，稱取1.0摩爾的硫化鉬納米片，將硝酸銀溶液和硫化鉬納米片添加到去離子水中並充分溶解製備第一混合液。然後量取0.25摩爾的氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液滴加到第一混合液中，再然後通過磁力攪拌滴加有氫氧化鈉溶液的第一混合液0.5小時，製取第二混合液。緊接著過濾第二混合液得到沉澱物，將得到的沉澱物用去離子水洗滌，再接著將洗滌後的沉澱物在60℃的條件下真空乾燥12小時，最後取出製成的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構。

上述實施例1製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構，在硫化鉬納米片上液相生長的氧化銀納米顆粒的直徑為20～40nm。與單一結構的氧化銀納米顆粒和硫化鉬納米片相比，氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在近紅外光下超聲作用，對甲基橙具有較高的光催化效率，利用硫化鉬納米片的壓電效應，通過超聲作用下有效提高了對太陽光的利用率。

實施例2

首先量取1.0摩爾的硝酸銀溶液，稱取1.0摩爾的硫化鉬納米片，將硝酸銀溶液和硫化鉬納米片添加到去離子水中並充分溶解製備第一混合液。然後量取0.5摩爾的氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液滴加到第一混合液中，再然後通過磁力攪拌滴加有氫氧化鈉溶液的第一混合液0.25小時，製取第二混合液。緊接著過濾第二混合液得到沉澱物，將得到的沉澱物用去離子水洗滌，再接著將洗滌後的沉澱物在60℃的條件下真空乾燥12小時，最後取出製成的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構。

上述實施例2製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構，在硫化鉬納米片上液相生長的氧化銀納米顆粒的直徑為20～40nm。與單一結構的氧化銀納米顆粒和硫化鉬納米片相比，氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在近紅外光下超聲作用，對甲基橙具有較高的光催化效率，利用硫化鉬納米片的壓電效應，通過超聲作用下有效提高了對太陽光的利用率。

實施例3

首先量取1.0摩爾的硝酸銀溶液，稱取1.0摩爾的硫化鉬納米片，將硝酸銀溶液和硫化鉬納米片添加到去離子水中並充分溶解製備第一混合液。然後量取0.5摩爾的氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液滴加到第一混合液中，再然後通過磁力攪拌滴加有氫氧化鈉溶液的第一混合液0.5小時，製取第二混合液。緊接著過濾第二混合液得到沉澱物，將得到的沉澱物用去離子水洗滌，再接著將洗滌後的沉澱物在60℃的條件下真空乾燥12小時，最後取出製成的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構。

上述實施例3製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在硫化鉬納米片上液相生長的氧化銀納米顆粒的直徑為20～40nm。

上述實施例3製得的氧化銀納米顆粒、硫化鉬納米片、氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在近紅外光下超聲條件與磁力攪拌條件下對分別甲基橙進行光催化實驗。與單一結構的氧化銀納米顆粒和硫化鉬納米片相比，氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在近紅外光下超聲作用，對甲基橙具有較高的光催化效率，利用硫化鉬納米片的壓電效應，通過超聲作用下有效提高了對太陽光的利用率。

實施例4

首先量取2.0摩爾的硝酸銀溶液，稱取1.0摩爾的硫化鉬納米片，將硝酸銀溶液和硫化鉬納米片添加到去離子水中並充分溶解製備第一混合液。然後量取1.0摩爾的氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液滴加到第一混合液中，再然後通過磁力攪拌滴加有氫氧化鈉溶液的第一混合液0.5小時，製取第二混合液。緊接著過濾第二混合液得到沉澱物，將得到的沉澱物用去離子水洗滌，再接著將洗滌後的沉澱物在60℃的條件下真空乾燥12小時，最後取出製成的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構。

上述實施例4製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構，在硫化鉬納米片上液相生長的氧化銀納米顆粒的直徑為20～40nm。與單一結構的氧化銀納米顆粒和硫化鉬納米片相比，氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在近紅外光下超聲作用，對甲基橙具有較高的光催化效率，利用硫化鉬納米片的壓電效應，通過超聲作用下有效提高了對太陽光的利用率。

實施例5

首先量取4.0摩爾的硝酸銀溶液，稱取1.0摩爾的硫化鉬納米片，將硝酸銀溶液和硫化鉬納米片添加到去離子水中並充分溶解製備第一混合液。然後量取2.0摩爾的氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液滴加到第一混合液中，再然後通過磁力攪拌滴加有氫氧化鈉溶液的第一混合液0.5小時，製取第二混合液。緊接著過濾第二混合液得到沉澱物，將得到的沉澱物用去離子水洗滌，再接著將洗滌後的沉澱物在60℃的條件下真空乾燥12小時，最後取出製成的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構超聲光催化劑。

上述實施例5製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構超聲光催化劑，在硫化鉬納米片上液相生長的氧化銀納米顆粒的直徑為20～40nm。與單一結構的氧化銀納米顆粒和硫化鉬納米片相比，氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在近紅外光下超聲作用，對甲基橙具有較高的光催化效率，利用硫化鉬納米片的壓電效應，通過超聲作用下有效提高了對太陽光的利用率。

實施例6

首先量取4.0摩爾的硝酸銀溶液，稱取1.0摩爾的硫化鉬納米片，將硝酸銀溶液和硫化鉬納米片添加到去離子水中並充分溶解製備第一混合液。然後量取2.0摩爾的氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液滴加到第一混合液中，再然後通過磁力攪拌滴加有氫氧化鈉溶液的第一混合液0.25小時，製取第二混合液。緊接著過濾第二混合液得到沉澱物，將得到的沉澱物用去離子水洗滌，再接著將洗滌後的沉澱物在60℃的條件下真空乾燥12小時，最後取出製成的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構。

上述實施例6製得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構超聲光催化劑，在硫化鉬納米片上液相生長的氧化銀納米顆粒的直徑為20～40nm。與單一結構的氧化銀納米顆粒和硫化鉬納米片相比，氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在近紅外光下超聲作用，對甲基橙具有較高的光催化效率，利用硫化鉬納米片的壓電效應，通過超聲作用下有效提高了對太陽光的利用率。

將所得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片超聲光催化劑樣品用透射電子顯微鏡進行觀察，結果如圖1所示，在硫化鉬納米片上液相生長的氧化銀納米顆粒的直徑為20～40nm。

上述實施例3製得的氧化銀納米顆粒、硫化鉬納米片、氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在近紅外光下超聲條件與磁力攪拌條件下對分別甲基橙進行光催化實驗。將超聲與磁力條件下所得的氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構超聲光催化劑、超聲與磁力條件下所得單一結構的氧化銀納米顆粒和硫化鉬納米片在近紅外光照射下對甲基橙進行降解，降解率隨時間的變化見圖2。

由圖2可知與單一結構的氧化銀納米顆粒和硫化鉬納米片相比，氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構經30min近紅外光下照射後光催化效率較高，而相比磁力攪拌，氧化銀納米顆粒/硫化鉬納米片異質結構在近紅外光下超聲作用，經30min近紅外光下照射後降解到90％以上，對甲基橙具有更高的光催化效率，利用硫化鉬納米片的壓電效應，通過超聲作用下有效提高了對太陽光的利用率。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。