量子點輔助合成二硫化鉬的方法與流程

本發明涉及一種光催化劑的制備方法。

背景技術：

范德華晶體是一類具有層狀結構的材料，包括石墨烯，金屬氧化物，硫族化合物和磷酸鹽等，它們不同的化學組成和晶體結構導致了不同的性能，比如說其中既有導體又有絕緣體。雖然各材料存在差異，但是這些材料都展現了一個共同的特點——大的范德華層間距和弱的相互作用力。范德華晶體的層間距在幾納米左右，提供一定的反應條件，可以克服其層間弱的相互作用力可逆的將某些功能分子、離子和原子等插入其層間空隙，形成類似于層柱狀結構。其中石墨烯作為最受關注的范德華材料，已被廣泛應用于鉛筆芯，電動機電極和干潤滑劑等行業。另一種非常典型的二維范德華半導體——過渡金屬二硫族化合物(TMDs)。該類化合物分子式一般為MX₂(其中M＝Mo，W，Nb，Ta，Ti；X＝S，Se，Te)。過渡金屬二硫族化合物在空氣中穩定存在，與它們自身的塊體材料電子結構完全不同。以MoSe₂為例，二維的MoSe₂納米片具有原子層級的厚度、較大的帶隙寬度、高的載流子活性以及豐富的表面懸掛鍵等特點。不同于石墨烯材料的天然零帶隙的特點，過渡金屬二硫族化合物天然存在帶隙使得該材料能被廣泛應用于半導體行業，被譽為繼硅材料之后又一革命性電子器件材料，能夠延續電子器件發展的摩爾定律。

納米級的過渡金屬二硫族化合物(TMDs)與其塊體材料相比變現為電子結構不同，包括：(1)增加共價鍵的態密度(2)縮短光生電子—空穴對的擴散長度。而且，性能也有很大的改變，包括(1)具有良好的光催化性能(2)具有有效的氧化還原反應催化性能。另外,還可以通過調整化學組成或結構獲得一些特殊性能，具有多領域的應用前景。二硫化鉬(MoS₂)是一種非常典型的過渡金屬二硫族化合物，但是塊體二硫化鉬由于其導電性差，禁帶寬度大等缺陷。限制了其廣泛應用。

為了提高二硫化鉬的導電性，縮短禁帶寬度，除了向著合成單層超薄的二硫化鉬納米片的方向努力外，還可以通過改變相變等方法進行。超薄二維片層材料由于其特殊的結構，具備了史無前例的物理，化學，電學和光學性能，在諸多領域有著潛在的應用價值，例如電極材料、光電材料、傳感器、催化劑、水處理材料和生物藥劑等。這也預示著二硫化鉬的應用前景廣闊。

二硫化鉬作為一種最為典型的過渡金屬二硫族化合物，具有獨特的片層結構和能帶結構，在場效應半導體、光致發光器件、染料敏化太陽能電池、超級電容器、鋰離子電池、電催化分解制氫等諸多領域具有潛在的應用前景。針對二硫化鉬本征的導電性差、帶隙結構寬、片層易堆積等問題，常見的方法是和導電性良好的材料進行復合，合成單層或幾層的超薄納米片層以及在片層中嵌入不同的原子等方法。

在21世紀的社會，能源與環境問題已經成為世界關注的主題，如何減少污染，保護生態平衡，解決環保問題，已經引起各政府決策部門和學術研究部門的高度重視。當今時代，我們在大力發展社會生產力，提高生活水平的同時，對環境也造成了嚴重的破壞，嚴重威脅著我們的生存。現如今，水和空氣作為人類最寶貴的資源已日益受到重視。特別是隨著工業進程的加快，水和空氣中被排放了大量的廢水、廢氣，其中含有大量的有毒有機化合物會在人體內富集，給人類的健康帶來巨大的威脅。而且在這些化合物中，有部分化合物用平常的處理方法很難將其降解。我國學者金奇庭等人通過研究觀察發現：很多的有機化合物能使厭氧微生物產生明顯的毒害作用。由實驗結果可以看出，這些有機化合物必須通過一些其他的非生物的降解技術來除去。在我們的日常生活中，有大量的揮發性有機化合物(volatile organic compound，VOC)被排放到我們生活的環境中，不僅對環境造成了嚴重的破壞，而且使人類自己的健康乃至生命受到嚴重的威脅，例如，各種各樣的石油化工產品及會產生有毒氣體的室內外裝飾品、日常生活用品，特別是室內裝飾經常使用的建筑材料像油漆、涂料等，這些化合物對環境造成嚴重的污染，對人類的健康造成嚴重的威害。因此，開發一種簡便有效的方法來治理水體污染和大氣污染是人類社會一個急需解決的問題。雖然目前已經有許多治理手段，但是光催化處理有機污染物的技術由于其價廉，無毒，節能，高效的優勢逐漸成為各界人士研究的重點，光催化的研發也一躍成為當前國際熱門研究領域之一。

甲基橙染料是一種常見的有機污染物，無揮發性，且具有相當高的抗直接光分解和氧化的能力；其濃度可采用分光光度法測定，方法簡便，常被用做光催化反應的模型反應物。它屬于偶氮染料，這類染料是染料各類中最多的一種，約占全部染料的50％左右。根據已有實驗分析，甲基橙是較難降解的有機物，因而以它作為研究對象有代表性。

技術實現要素：

本發明是要解決揮發性有機化合物(VOC)不僅對環境造成了嚴重的破壞，而且使人類自己的健康乃至生命受到嚴重的威脅的技術問題，提供了一種量子點輔助合成二硫化鉬的方法。

量子點輔助合成二硫化鉬的方法按照以下步驟進行：

一、水熱合成硅量子點：

將0.040g-0.060g的抗壞血酸鈉溶解在10ml的去離子水中放置20min，得混合液，將1.25ml的混合液溶于1ml三甲氧基甲硅烷中，加入去離子水配成濃度為20g/l的溶液，并將溶液倒入水熱反應釜中加熱到200℃反應24h，得到硅量子點；

二、硅量子點輔助合成二硫化鉬：

將5mmol-7mmol鉬酸銨和17mmol-19mmol硫脲溶于20ml去離子水中，加入0.025mmol純化的硅量子點，然后將混合后的混合物倒入水熱反應釜中，在150℃的條件下反應12h，自然冷卻，收集黑色沉積物，用乙醇和去離子水洗滌，再在60℃的烘箱中烘干，得到二硫化鉬。

本發明硅量子點和二硫化鉬構建了一種新型的混合結構，由于量子點屬于半導體材料，和二硫化鉬的復合能起到協同作用，改善了二硫化鉬的能級結構，其光譜吸收特性也有了極大的改變。全譜吸收達到了95％，能有效的吸收太陽能。本發明的硅量子點和二硫化鉬混合結構對甲基橙有機染料的降解速率大大提高。在可見光下，相比現有的最快的降解時間150min，本發明硅量子點和二硫化鉬結構的降解時間可達90min。

附圖說明

圖1是實驗一中量子點輔助合成的二硫化鉬的結構示意圖；

圖2是實驗一中量子點輔助合成的二硫化鉬的電鏡照片。

具體實施方式

本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。

具體實施方式一：本實施方式量子點輔助合成二硫化鉬的方法按照以下步驟進行：

一、水熱合成硅量子點：

將0.040g-0.060g的抗壞血酸鈉溶解在10ml的去離子水中放置20min，得混合液，將1.25ml的混合液溶于1ml三甲氧基甲硅烷中，加入去離子水配成濃度為20g/l的溶液，并將溶液倒入水熱反應釜中加熱到200℃反應24h，得到硅量子點；

二、硅量子點輔助合成二硫化鉬：

將5mmol-7mmol鉬酸銨和17mmol-19mmol硫脲溶于20ml去離子水中，加入0.025mmol純化的硅量子點，然后將混合后的混合物倒入水熱反應釜中，在150℃的條件下反應12h，自然冷卻，收集黑色沉積物，用乙醇和去離子水洗滌，再在60℃的烘箱中烘干，得到二硫化鉬。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是步驟一中將0.0594g的抗壞血酸鈉溶解在10ml的去離子水中放置20min。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是步驟二中將5mmol鉬酸銨和17mmol硫脲溶于20ml去離子水中。其他與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是步驟二中將5.5mmol鉬酸銨和17.5mmol硫脲溶于20ml去離子水中。其他與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是步驟二中將6mmol鉬酸銨和18mmol硫脲溶于20ml去離子水中。其他與具體實施方式一至四之一相同。

具體實施方式六：具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是步驟二中將6.5mmol鉬酸銨和18.5mmol硫脲溶于20ml去離子水中。其他與具體實施方式一至五之一相同。

具體實施方式七：具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是步驟二中將7mmol鉬酸銨和19mmol硫脲溶于20ml去離子水中。其他與具體實施方式一至六之一相同。

采用下述實驗驗證本發明效果：

實驗一：

量子點輔助合成二硫化鉬的方法按照以下步驟進行：

一、水熱合成硅量子點：

將0.0594g的抗壞血酸鈉溶解在10ml的去離子水中放置20min，得混合液，將1.25ml的混合液溶于1ml三甲氧基甲硅烷中，加入去離子水配成濃度為20g/l的溶液，并將溶液倒入水熱反應釜中加熱到200℃反應多久？，得到硅量子點；

二、硅量子點輔助合成二硫化鉬：

將6mmol鉬酸銨和18mmol硫脲溶于20ml去離子水中，加入0.025mmol純化的硅量子點，然后將混合后的混合物倒入水熱反應釜中，在150℃的條件下反應12h，自然冷卻，收集黑色沉積物，用乙醇和去離子水洗滌，再在60℃的烘箱中烘干，得到二硫化鉬。

光催化降解甲基橙實驗：

配制10mg/l的甲基橙溶液，稱量0.025g的二硫化鉬倒入甲基橙混合溶液中。首先在暗處建立吸脫附平衡5min，然后變換不同波長的氙燈光源(250-2500nm)催化反應，分別在可見光(400-760nm)以及紫外光(250-400nm)以及全光譜下催化降解甲基橙。

(1)在紫外光下，進行上述催化反應，40min完全降解成無色的無機物。

(2)在可見光下，進行上述催化反應，90min完全降解成無色的無機物。

(3)在全光譜下，進行上述催化反應，30min完全降解成無色的無機物。

從圖2的電鏡照片中可以看出根據晶格之間的間距確定合成的二硫化鉬既有二硫化鉬(0.942nm)也含有Si量子點(0.30nm)。