一種MoS2/C60/g?C3N4復合光催化劑及其制備方法與流程

本發明屬于納米光催化材料技術領域。

背景技術：

石墨相氮化碳(g-c3n4)作為一種碳基材料，具有制備原料來源廣，價格便宜，制備方法簡單且易于工業化等特點。作為可見光催化劑其具有可調的電子結構和良好的物理和化學穩定性。由于它的禁帶寬度為2.70ev，能夠被可見光激發，可以吸收可見光分解水制氫；然而，g-c3n4也有很多缺點影響了其光催化性能的提高，特別是較高的電子空穴復合率，嚴重降低了其光催化效率，對于改善g-c3n4光催化性能，提高其電子空穴分離率一直是該領域研究的重點。

mos2片狀結構在電化學方面有較廣泛的應用，作為知名的產氫催化劑，二硫化鉬被視為理想的催化劑，被廣泛應用于光催化、傳感等領域。

雖然兩種材料都可以作為光催化材料使用但是如何進一步提高其光催化效率是目前亟待解決的重要課題。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提出了一種mos2/c60/g-c3n4復合光催化劑，利用了閉殼結構的c60所具有的獨特的電子性能。已知c60的閉殼結構由30個鍵合分子軌道與60個π電子，這種結構利于有效的電子轉移。c60的獨特結構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，則可以提高g-c3n4電子空穴分離率，該復合結構中由于mos2的植入使g-c3n4層間距變大，有效增大催化劑的比表面。并且由于mos2、c60和g-c3n4之間所形成異質結，提高了光電荷的分離效率，有效地提高了光催化效率。

mos2/c60/g-c3n4復合光催化劑，中mos2所占質量比為3％～9％，c60與g-c3n4質量比為1:1；該復合催化劑為片狀形貌，復合結構中以尺寸為1μm、厚度為50～70nm的g-c3n4為基底，依次在其表面復合c60和尺寸為200～500nm，厚度為50～80nm的片狀mos2得到。

該復合光催化劑的制備方法具體如下：

1)水熱法制備mos2；

2)制備g-c3n4；

3)c60/g-c3n4復合物的制備：按照質量比1:1稱取g-c3n4與c60，將二者按照5mg/ml的比例分散于無水乙醇中，分散均勻后在外加攪拌條件下持續12h，然后置于80～100℃條件下干燥，得到c60/g-c3n4復合物；

4)mos2/c60/g-c3n4復合物的制備：0.9～2.7:30比例稱取水熱法制備的mos2和c60/g-c3n4復合物，將二者按照1.5～5mg/ml的比例分散于無水乙醇中，分散均勻后在外加攪拌條件下持續3h，然后置于80～100℃條件下干燥，得到mos2/c60/g-c3n4復合物；

步驟1)中水熱法制備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于去離子水中，完全溶解后再超聲分散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后自然冷卻至室溫；用去離子水和乙醇分別洗滌后，在60℃條件下干燥，得到片狀mos2。

步驟2)制備g-c3n4的具體步驟如下：將三聚氰胺以2.0～2.3℃/min的升溫速率為從室溫加熱到550℃，并于550℃保溫4h，然后以相同的速率降溫至室溫后得到淡黃色粉末狀的g-c3n4。

本發明的有益效果：

本發明的制備過程簡單易控、操作方便、成本低、產物的可見光催化活性高，其中，6％mos2/c60/g-c3n4經可見光照射70min羅丹明b降解率可達100％。在復合納米材料的制備和應用領域有著廣闊的發展前景。

附圖說明

圖1c60和所制備的mos2、g-c3n4、mos2/c60、mos2/g-c3n4、c60/g-c3n4以及mos2/c60/g-c3n4復合光催化劑的x射線衍射(xrd)譜圖；

圖2所制備的c60、mos2、g-c3n4、mos2/c60、mos2/g-c3n4、c60/g-c3n4以及mos2/c60/g-c3n4復合光催化劑的傅立葉紅外光譜(ft-ir)圖；

圖3所制備的mos2/c60/g-c3n4復合光催化劑的x射線光電子能譜(xps)圖；

圖4所制備復合催化劑mos2/c60/g-c3n4的透射電鏡(tem)照片；

圖5所制備復合催化劑mos2/c60/g-c3n4的高分辨透射電鏡(hrtem)照片；

圖6所制備的c60、g-c3n4、mos2/c60、mos2/g-c3n4、c60/g-c3n4以及mos2/c60/g-c3n4復合光催化劑在可見光條件下降解羅丹明b的光催化降解率曲線圖。

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。

實施例1

1.mos2的制備：采用水熱合成法，將0.15g鉬酸鈉和0.4g硫脲共溶于32.5ml去離子水中，在磁力攪拌器上攪拌30min。攪拌結束后再超聲分散30min。將超聲后的溶液裝入內襯聚四氟乙烯不銹鋼反應釜中，充填度為65％，加熱到240℃并保持24h后自然冷卻至室溫。用去離子水和乙醇分別洗滌3次后，在60℃條件下將產物進行干燥。

2.g-c3n4的制備：采用三聚氰胺為原料，取24mmol三聚氰胺于坩堝中，將坩堝放入馬弗爐中，以升溫速率為2.0-2.3℃/min加熱到550℃，于550℃保溫4h，然后以相同的速率降至初始溫度后將坩堝取出，得到淡黃色粉末狀的g-c3n4。

3.c60/g-c3n4的制備：將50mgc60和50mgg-c3n4超聲30min分散于20ml無水乙醇中，在磁力攪拌器上攪拌12h后，于干燥箱內80℃烘干，即得c60/g-c3n4。

4.mos2/c60/g-c3n4的制備：將0.9mgmos2和30mgc60/g-c3n4超聲1h分散于20ml無水乙醇中，在磁力攪拌器上攪拌3h后，于干燥箱內80℃烘干，即得mos2/c60/g-c3n4。

結構與形貌表征

如圖1所示，為c60和所制備的mos2、g-c3n4、mos2/c60、mos2/g-c3n4、c60/g-c3n4以及mos2/c60/g-c3n4復合光催化劑的xrd圖，從圖1可知mos2/c60/g-c3n4復合光催化劑的xrd圖譜中含有硫化鉬、g-c3n4和c60特征峰，且未出現其他雜峰，證明復合物中僅包含有以上三種物質。

如圖2所示，所有c60的特征峰(1427cm^-1、1180cm^-1、575cm^-1、528cm^-1)以及g-c3n4的特征峰(3168cm^-1、1635cm^-1、1574cm^-1、1420cm^-1、1328cm^-1、1253cm^-1、812cm^-1)都可以從mos2/c60/g-c3n4圖譜中可以觀察到。

如圖3所示，c1s的兩個峰分別在283.9ev(c-c)和287.6ev(n-c＝n)。287.6ev與288.0ev相接近可知c60對g-c3n4的n-c＝n幾乎沒有影響。n1s的峰出現在398.2ev(c＝n-c)。mo3d的峰分別在228.2ev和231.4ev可知鉬的存在形式為mo⁴⁺，s2p的峰出現在161.5ev可知的存在形式為s2^2-。

圖4為所制備的mos2/c60/g-c3n4樣品的tem照片，其形貌為片狀。圖5中可以測量出晶體條紋距離分別為0.366nm和0.63nm，分別對應g-c3n4(002)和mos2(002)的晶面間距，由此可以看出g-c3n4和mos2成功復合到了一起，根據圖4可以看到透明的c60與片狀的復合物復合在一起。

光催化活性驗證試驗：

使用rhb作為模型化合物對所制備樣品的光催化性能進行評價。在實驗中，在100ml0.01mmoll^-1的rhb溶液中加入0.01g催化劑并放入玻璃反應器中。采用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30分鐘。然后將溶液在磁力攪拌下暴露于可見光照射。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。

結果如圖6所示，所制備的mos2/c60/g-c3n4催化劑較純相c60、g-c3n4、c60/g-c3n4、mos2/c60及mos2/g-c3n4光催化效率有大幅度提高，其中6％mos2/c60/g-c3n4rhb光催化效率最高，經可見光照射70minrhb降解率可達100％。