1T/2H-MoS2及其复合光催化剂的制备和光催化性能研究

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环境污染是困扰人类当前生存发展的一大难题,而由抗生素滥用引起的水污染问题在近年来日益突出。半导体光催化技术可直接利用太阳光实现有机污染物的降解,是一种高效且环保的技术。开发可见光响应好、电荷分离效率高、活性位点丰富的半导体光催化材料是提高光催化作用效果的关键。二硫化钼(MoS2)是一种具有类石墨烯结构的二维层状材料,有多种晶型结构,其中半导体相二硫化钼(2H-MoS2)在自然界中能稳定存在,但其只在边缘位置有活性位点且导电率低;金属相二硫化钼(1T-MoS2)具有优异的电子迁移率和丰富的活性位点,但其为人工合成且极易转化为2H-MoS2。因此本论文的目的是制备稳定的含1T相的二硫化钼(1T/2H-MoS2)并将其应用于水中抗生素的光催化去除。本论文首次尝试用三氧化钼(MoO3)纳米线为原料,制备了1T/2H-MoS2;接着为了减少1T/2H-MoS2的堆叠,增大其光催化活性,将其与二氧化硅(SiO2)进行复合提高分散性;最后为了进一步提高光催化降解效果和循环稳定性,将本身具有催化活性的硫化镉(CdS)与1T/2H-MoS2进行复合,构建异质结,形成的异质结显著地增强了光催化降解性能。具体内容如下:(1)以实验制备的MoO3纳米线为原料,采用水热法制备出1T/2H-MoS2,并将其与用MoO3商业粉末为原料制备的1T/2H-MoS2(P)和2H-MoS2进行了结构、形貌和性能的对比。通过XRD、拉曼、XPS和TEM等测试证明了所制备的材料是含1T和2H相的二硫化钼。1T/2H-MoS2可见光催化降解TC-HCl的速率分别是1T/2H-MoS2(P)和2H-MoS2的2.8倍和1.3倍,研究表明,1T/2H-MoS2可见光活性较强的原因在于以MoO3纳米线为原料使得制备出的物质具有较小的颗粒尺寸以及较强的光吸收效果,且1T相和2H相的共存促进了光生电子和空穴的传输和分离。捕获实验证明在1T/2H-MoS2光催化降解TC-HCl过程中起主要作用的活性物质为×O2-。(2)通过一步水热法将SiO2和1T/2H-MoS2进行复合,构建了SiO2/1T/2H-MoS2复合材料。通过实验发现,当SiO2和1T/2H-MoS2复合的摩尔比为0.8:1时,光催化降解TC-HCl的效果最好,其降解速率是单一1T/2H-MoS2的3.94倍。通过开尔文探针力显微镜(KPFM)和光电流测试验证了SiO2/1T/2H-MoS2的电荷分离能力得到显著增强,通过紫外可见漫反射光谱(DRS)可知复合后样品的禁带宽度变大,SiO2的加入使1T/2H-MoS2的分散性得到提高,增大了1T/2H-MoS2的比表面积,从而具有更多的活性位点。(3)通过两步水热法用MoO3纳米线为原料制备的1T/2H-MoS2去修饰CdS纳米颗粒,构建了1T/2H-MoS2/CdS复合材料。该复合材料具有优异的光催化降解效率,当两者复合的摩尔比为1:4时,1T/2H-MoS2/CdS在60 min可见光照射下(λ≥420 nm)降解TC-HCl的效率可达70.36%,并具有较好的循环稳定性,该复合物降解速率分别是单一1T/2H-MoS2和CdS的3.4倍和2.1倍。通过对该复合材料的光催化降解机理进行深入探究,发现1T/2H-MoS2/CdS的电子传输遵循Z型异质结的传输机制,该传输机制不仅可以促进电子空穴的有效分离,还可以使该复合材料保持较强的氧化还原性质。这为今后水环境的治理提供了一种简易且稳定的治理方法。综上,本论文通过简易的水热法以MoO3纳米线为原料制备了含1T相的1T/2H-MoS2,进一步构建了SiO2/1T/2H-MoS2复合材料和具有Z型传输机制的1T/2H-MoS2/CdS异质结,从扩大可见光响应范围、提高电荷分离效率、增加活性位点等方面对所制备的材料进行了性能优化,为可见光催化降解盐酸四环素(TC-HCl)等抗生素污染物提供了坚实的理论和实验基础。
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