单原子层MoS2 ZnO纳米片的制备及其在光催化降解有机染料方面的应用

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 5.79MB 93 页 15积分
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摘 要
二硫化钼（MoS2）是一种类石墨烯过渡金属二硫化物。单原子层 MoS2凭借
其超薄的层状结构和适宜的禁带宽度（1.9 eV），在纳米电子学，光电子学和微纳
器件等领域备受关注。此外，凭借丰富的边缘结构、巨大的比表面积、良好的化
学稳定性和对可见光的高利用效率，单原子层 MoS2逐渐成为新型光催化材料的研
究热点。ZnO 纳米片虽具有很大的比表面积但是由于禁带宽度较大，对可见光的
利用效率较低。本论文试图通过设计制备单原子层 MoS2/ZnO 纳米片复合光催化剂
提高对太阳光的全波段吸收利用效率。
本论文主要研究内容为三部分
（1）高质量氧化锌纳米片的制备：利用化学气相沉积法通过改变载气中氧气的
流量和磷掺杂量制备氧化锌纳米片。结果表明氧气和磷是其制备必须条件，其中
氧气主要起到加速氧化锌纳米片生长的作用而磷起到改变氧化锌的生长方向的作
用，最终我们得到具有大比表面积的氧化锌纳米片，其长度为几十微米，宽度为
几个微米，厚度平均为 50 nm。
（2）单原子层 MoS2的制备：利用液相剥离法制备通过改变超声时间和超声频
率制备单原子层 MoS2。结果表明超声时间是制备单层 MoS2的主要影响因素，所
制备的单原子层 MoS2浓度可达 0.1 mg/mL，长度和宽度均可达几百纳米。
（3）单原子层 MoS2/ZnO 纳米片复合光催化材料光催化性能研究：制备的单原
子层 MoS2/ZnO 纳米片复合光催化剂在 2分钟内对 40 ml 浓度为 10 mg/L 的亚甲基
蓝染料溶液的降解率达到 83%，6分钟内达到 95%，其反应动力学常数可达 1.413
min-1，是 ZnO 纳米片和二氧化钛的 2倍和 10 倍。这归因于原子层 MoS2/ZnO 纳米
片复合形成的异质结，这些异质结可以增强光吸收效率，抑制电荷再结合，改善
界面电荷转移并增加反应中心的数量，从而提高光催化活性。
关键词：单原子层 MoS2ZnO 纳米片 复合光催化剂
ABSTRACT
MoS2is a class of graphene transition metal disulfide. 2D MoS2has slim layered
structure and a suitable band gap (1.9 eV) so that concern in the field of nanoelectronics,
optoelectronics, micro-nano devices and so on. In addition, with a wealth of edge
structure, a huge surface area, good chemical stability and high efficiency of visible
light, 2D MoS2gradually become a hot topic of new photocatalytic materials. ZnO
nanosheets having large surface area, but due to the large band gap, low utilization
efficiency of visible light. This paper attempts to design prepared by 2D MoS2/ZnO
nanosheets composite photocatalyst increasing sunlight absorption and utilization
efficiency of the whole band.
The main contents of three parts:
(1) Preparation of high-quality ZnO nanosheets : Using chemical vapor deposition
method by changing the carrier gas flow rate of oxygen and phosphorus doping
prepared ZnO nanosheets. The results showed that oxygen and phosphorus are
necessary conditions for their preparation, wherein the oxygen initially speed growth of
ZnO nanosheets and phosphorus acts to change the direction of the growth of ZnO.
Finally obtaining ZnO nanosheets have large specific surface area, length of several tens
of micrometers, width of a few microns, average thickness of 50 nm.
(2) Preparation of 2D MoS2: using liquid peel by varying the frequency of the
ultrasonic time and ultrasonic prepared 2D MoS2. The results showed that ultrasonic
time are the main factors for preparation of 2D MoS2. The concentrations of 2D MoS2
can be up to 0.1 mg/mL, length and width of several hundred nanometers.
(3) Composite photocatalytic photocatalytic properties of 2D MoS2/ZnO
nanosheets:2D MoS2/ZnO nanosheets composite photocatalyst can degradate rate of
83% within two minutes, 95% within 6 minutes of 40 ml at a concentration of 10 mg/L
methylene blue dye solution. The reaction kinetic constants up to 1.413 min-1, wihch is
ZnO nanosheets and TiO22 times and 10 times respectively. This is due to2D MoS2/
ZnO nanosheets composite formed heterojunction. That enhanced light absorption
efficiency, suppressed charge recombination, improved interfacial charge transfer
reaction and increase the number of centers to improve the photocatalytic activity.
Key Word: 2D MoS2, ZnO nanosheet, composite photocatalyst
目录
中文摘要
ABSTACT
第一章 绪论..................................................................................................................... 1
1.1 光催化概述............................................................................................................ 5
1.1.1 光催化的研究进展........................................................................................... 5
1.1.2 光催化的作用机理........................................................................................... 6
1.1.3 光催化反应的影响因素................................................................................... 6
1.1.4 光催化材料及提高光催化性能的方法........................................................... 8
1.2 氧化锌纳米材料概述.......................................................................................... 12
1.2.1 氧化锌纳米材料的理化性质......................................................................... 12
1.2.2 氧化锌纳米材料的纳米结构分类................................................................. 12
1.2.3 氧化锌纳米材料的制备方法......................................................................... 14
1.2.4 氧化锌纳米材料的应用................................................................................ 15
1.3 单原子层二硫化钼概述....................................................................................... 16
1.3.1 单原子层二硫化钼的基本性质.................................................................... 17
1.3.2 单原子层二硫化钼的制备方法.................................................................... 18
1.3.3 单原子层二硫化钼的潜在应用.................................................................... 21
1.3.4 单原子层二硫化钼的研究挑战.................................................................... 25
1.4 本论文的选题意义和研究内容.......................................................................... 26
1.4.1 选题意义........................................................................................................ 26
1.4.2 研究内容....................................................................................................... 27
第二章 实验装置、药品和表征仪器........................................................................... 29
2.1 实验装置 ............................................................................................................. 29
2.1.1 氧化锌纳米材料装置.................................................................................... 29
2.1.2 单原子层二硫化钼制备装置........................................................................ 30
2.2 实验化学试剂、药品 ......................................................................................... 31
2.3 表征仪器 ............................................................................................................ 31
第三章 氧化锌纳米结构的制备和性质研究............................................................... 37
3.1 氧化锌纳米片的制备及性质研究 .................................................................... 37
3.1.1 氧化锌纳米片的实验方案设计.................................................................... 37
3.1.2 氧化锌纳米片的生长工艺参数研究............................................................ 37
3.1.3 氧化锌纳米片的形貌结构研究.................................................................... 40
3.1.4 氧化锌纳米片的生长机理............................................................................ 43
3.2 氧化锌超长纳米线的制备及性质研究.............................................................. 43
3.2.1 氧化锌超长纳米线的实验方案设计........................................................... 43
3.2.2 氧化锌超长纳米线的形貌结构研究............................................................. 44
3.2.3 氧化锌超长纳米线的生长原理.................................................................... 46
3.3 本章小结.............................................................................................................. 47
第四章 单原子层二硫化钼的制备和性质研究........................................................... 48
4.1 单原子层二硫化钼实验方案设计..................................................................... 48
4.2 单原子层二硫化钼的制备工艺参数研究......................................................... 49
4.2.1 不同超声时间对单原子层二硫化钼的影响............................................. 49
4.2.1 不同超声频率对单原子层二硫化钼的影响............................................. 49
4.3 单原子层二硫化钼的结构性能研究............................................................... 50
4.4 单原子层二硫化钼的形成原理....................................................................... 53
4.5 本章小结........................................................................................................... 53
第五章 单原子层 MoS2/ZnO 纳米片复合光催化剂的光催化性能研究..................55
5.1 复合光催化剂的制备及性能研究.................................................................... 55
5.1.1 复合光催化剂的制备 ................................................................................ 55
5.1.2 复合光催化剂的性能研究.......................................................................... 55
5.2 复合光催化剂的实验方案设计......................................................................... 57
5.3 不同量的单原子层二硫化钼对氧化锌纳米片催化性能的影响.................... 58
5.4 复合光催化剂高效催化性能探究.................................................................... 61
5.5 复合光催化剂的光催化机理............................................................................ 62
5. 5.1 光催化剂能带位置计算............................................................................ 62
5.5.2 复合光催化剂的催化原理......................................................................... 65
5.6 本章小结.......................................................................................................... 67
第六章 单原子层 MoS2/TiO2纳米颗粒复合光催化剂的光催化性能研究............68
6.1 复合光催化剂的制备及性能研究.................................................................. 68
6.1.1 复合光催化剂的制备................................................................................ 68
6.1.2 复合光催化剂的性能研究......................................................................... 68
6.2 复合光催化剂的实验方案设计....................................................................... 70
6.3 不同量的单原子层二硫化钼对二氧化钛纳米颗粒催化性能的影响.......... 70
6.3.1 复合光催化剂降解罗丹明 B（RhB）溶液实验...................................... 70
6.3.2 复合光催化剂降解亚甲基蓝（MB）溶液实验....................................... 72
6.4 复合光催化剂的光催化机理.......................................................................... 73
6.4.1 光催化剂能带位置计算............................................................................. 73
6.4.2 复合光催化剂的催化原理......................................................................... 75
6.5 本章小结.......................................................................................................... 75
第七章 单原子层 MoS2与其他材料复合光催化性能研究.......................................76
7.1 单原子层 MoS2/ZnO 超长纳米线复合光催化剂光催化实验........................76
7.2 单原子层 MoS2/ZnO 纳米颗粒复合光催化剂光催化实验............................76
7.3 单原子层 MoS2/TiO2纳米管复合光催化剂光催化实验................................77
7.4 本章小结........................................................................................................... 77
第八章 结论................................................................................................................. 79
8.1 结论...................................................................................................................... 79
8.2 创新点.................................................................................................................. 79
参考文献......................................................................................................................... 80
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果............................................. 90
致谢................................................................................................................................. 92
第一章 绪论
1
第一章 绪论
近年来随着科学技术的不断进步、城市化水平的不断提高以及经济的快速发
展，资源的过渡开发利用，使得大量的废水、废气等污染物排入自然界，造成世
界范围内的环境污染问题越来越严重，给人们的生存环境造成了巨大的威胁，其
中水污染问题最严重。水作为人类赖以生存的因素之一，目前正受到前所未有的
污染。水污染主要是由人类活动造成的，包括工业废水、农业废水和生活污水。
其中工业废水是废水的主要来源，工业废水是指在工业生产过程中排出的水。它
包括生产污水和生产废水，其中重金属废水和有机污染废水最难处理[1]。上个世纪
八十年代以来，工业和城市用水量急剧增加，使得废污水的排入量也随之急剧增
加。据有关环境保护部门统计，2010 年全国废水的总排放量达到了 750 亿吨，其
中工业废水占 61.5%，生活污水占 38.5%，而占总水量 70%-80%的污水直接排放，
达标的仅占 20%左右。对全国七百多条重要河流调查结果显示，有将近 50%的河
段和 90%以上的城市沿河水域遭到污染[2]。据有关部门不完全统计，目前我国水中
的污染物已达 2千多种，而自来水中就含有 700 多种。在我国的实际生活饮用水
中，只有不到 11%的居民饮用的水是符合国家卫生标准的，而高达 65%的人饮用的
水是污浊、含氟、苦碱、含砷等污染物的水。2亿人饮用自来水，1.1 亿人饮用高
硬度水，7千万人饮用高氟水，5千万人饮用高氟化物水，3千万人饮用高硝酸盐
水，可见我国水污染问题厄待解决。
2010 年在对 39 个工业行业的废水排放量统计，
其中位于前 4位的行业依次是造纸业、化工业、纺织业和农产品加工业，四个行
业的废水排放量占废水总排放量的 51.5%[3]。近年来我国北部及沿海地区出现了水
资源短缺和水质污染的局面，这不仅影响水生态系统的循环，而且阻碍工农业生
产的进行，严重制约着我国经济社会的可持续发展。虽然各国政府对于各种有害
物质的处理提出了更高的要求，制定了更严格的标准，但是一些常规的方法由于
种种原因，始终没有取得理想效果，难以达标。面对越来越严重的水污染问题，
迫切需要研究出高效经济的废水净化技术，这也已经成为目前科技工作者探索的
重点和难点问题之一。
除了水污染之外，近几年来大气污染也日趋严重同样威胁着人们的生命安全，
目前，全球性的大气污染问题主要表现在酸雨、温室效应和臭氧层遭到破坏三个
方面。我国的大气污染状况也相当严重，主要表现为城市大气环境中总悬浮物浓
度严重超标；二氧化硫污染持续保持在较高水平；机动车尾气污染物排放总量不
断增加；氮氧化物污染呈逐年加重趋势；全国形成西南、华东、华中、华南多个
酸雨区，其中以华中酸雨区为重。其中近期在国内最受关注的 PM2.5，是指大气
中粒径小于 2微米的颗粒污染物。PM 2.5的主要来源，是汽车尾气排放、工业生
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产、日常发电等过程中经过燃烧而排放的残留物。从卫星图片可以看出，人口密
集地区的 PM2.5浓度要高于边远地区。就北京地区为例，据统计，2013 年1月，
北京市就遭遇了 25 天的雾霾，空气中的雾霾是悬浮的细小颗粒非常不利于污染物
扩散，仅 1月就出现了 15 天重度污染或严重污染天气，空气质量急剧下降。1月
10 日到 13 日，北京连续 3天空气质量为六级污染，空气质量检测数据显示，除定
陵、八达岭、密云水库外，其余区域空气质量指数 AQI 均达极值 500，为六级严
重污染中的“最高级”。北京环保监测中心数据显示，1月12 日17 时左右，北京
市很多地区的 PM2.5浓度值都达到每立方米 700 微克以上；22 时，没有好转，北
京市各地区 PM2.5的监测结果显示只有北部地区几个子站稍低，而其他地区仍维
持在每立方米 700 微克的高值；23 时，西直门北、南三环、奥体中心等监测点 PM2.5
实时浓度突破 900，西直门北高达每立方米 993 微克。相应的从东北到西北，从华
北到中部导致黄淮、江南地区，也出现大范围的重度和严重污染。全球 10 大空气
污染城市 7个在中国。由于 PM2.5粒径较小，可以通过呼吸道进入人的肺部，甚
至沉积在肺泡中，进而进入人的血液循环严重影响心脏、大脑等人体器官，同时
较小的粒径具有较大的比表面积，能够吸收很多有害物质，并使病毒性物质有相
对更高的反应和溶解速度，而 PM2.5本身又特别容易吸附空气中的重金属、有机
污染物、细菌甚至病毒，对人们的生命造成严重威胁[4]。河北的张婷婷提出以下措
施：提高环境准入门槛；强化多污染物协同控制，增加科研投入和科技创新等[5]。
加拿大的研究生人员发现聚四氟乙烯/尼龙过滤器包可以在一定程度上控制硝酸
盐的排放量，具有很大发展潜力。同时研究还表明，在煤粉中加入含镁的添加剂
可有效的减少其在燃烧过程中 PM2.5的排放量，从而有效改善空气质量[6-7]。目前
Tucker 等人[8]已经着手开发改进柴油车、木火炉、壁炉、石油和燃煤锅炉等排放源，
从而在源头上控制 PM2.5的排放量。除此之外，室内污染也是目前人们最关注的
污染之一，尤其是甲醛。新房装修完成后，甲醛会从胶合板、细木工板、中密度
纤维板、刨花板等人造家具中源源不断的散发出来，使得室内充斥着大量的甲醛，
严重威胁人们的生命安全。可见，无论是对水还是气的治理都刻不容缓。
目前国内外处理废水的常用方法有吸附处理法、化学氧化法、溶剂萃取法、
膜分离技术、离子交换法和生物处理法等。各种方法都存在自身的优缺点，虽然
对废水的处理起到一定的作用，但是并没有从根源上解决问题。因为这些技术都
是把污染物从一种相转变成另一种相，对污染物没有达到彻底的降解，已经越来
越不适应社会的发展。目前比较前沿的废水处理技术是高能物理技术和光催化技
术。其中高能物理法虽然设备操作简单，降解效率高，但是所需设备昂贵，技术
要求高、能量利用率低，无法大规模推广[8]。而光催化法作为一种新型的环保技术，
第一章 绪论
3
能够彻底降解有机污染物的同时还不产生二次污染，并且高效节能廉价，是目前
最理想的污水处理方法，但是传统的光催化剂自身都存在一些问题，故寻找高效
的光催化剂是目前科学研究的重点之一[10-12]。
相对于污水的治理方法，大气污染的治理方法更显贫乏，主要是针对不同的
污染物采用有针对性的方法，如吸收、吸附、过滤、氧化（热力氧化、催化氧化、
蓄热氧化）、生物等技术治理。同时近年来随着人们对室内空气污染危害性的认
识不断的提高，新房装修完成以后，越来越多的消费者主动提出要求进行室内空
气治理，就目前的治理方法而言主要有：活性炭吸附、空气清新剂、光催化去除、
臭氧净化、负离子净化等。下面就以上方法具体说明：（一）活性炭吸附，利用
活性炭或碳纤维的高比表面积对空气中存在的有害气体进行吸附，从而达到净化
污染的目的。虽然对室内的挥发性有机物和异味有一定的净化效果，但是当温度、
风速等因素升高到一定程度时，所吸附的污染物很有可能游离出来，再次扩散到
空间中，对环境造成二次污染；除此之外，活性炭对细菌等微生物基本上没有任
何净化效果；活性炭还很容易达到吸附饱和，此时其不再具有吸附能力，必须及
时更换过滤材料，否则其所吸附的污染物等将随时被释放出来对空气造成二次污
染。（二）空气清新剂，是通过在空间内释放高浓度香味来完成的，主要是影响
嗅觉对其他异味的敏感度。但是此种方法仅仅起到掩盖其他气味的作用，对污染
物、细菌等没有任何作用。另外空气清新剂本身有低毒性，尤其是劣质空气清新
剂中含有许多有害物质，无法净化空气的同时本身对人体存在伤害。（三）甲醛
捕捉剂/甲醛清除剂，这种方法是通过化学反应来消除甲醛的。尽管能在某种程度
上降低室内空气中甲醛的浓度，但是甲醛清除剂仅仅针对消除室内现阶段的甲醛
有效，而对其他室内污染物如苯、氨、总挥发性有机物、细菌等基本上没有作用。
许多甲醛清除剂本身所具有的强氧化性，会对皮革、涂料膜等物质的表面造成严
重的损伤。很多此类产品本身具有一定的毒性，是一种使用范围有限、简单的应
急处理手段，根本不能达到真正永久清除甲醛的目的。（四）负离子净化，空气
中细菌、烟、尘、花粉等大多数的污染物为正离子，这样负离子就可以与空气中
的细菌细胞结合后，使细菌的细胞内部能量转移、结构改变，导致其死亡，使空
气中漂浮的烟、尘、花粉等吸入颗粒物集聚而自然沉降，达到净化空气的目的。
缺点是空气净化过程缓慢，消毒不彻底。负离子对化学物质污染物基本不起作用，
容易积尘，容易对电器造成损坏。（五）臭氧净化，臭氧包括三个氧原子，故极
易释放出活性氧。活性氧具有非常强的氧化性，能够迅速地与空气中的有害气体
发生反应，从而达到净化空气的目的。但是用作消毒使用时，需要较高的浓度才
能完成。臭氧浓度需要达到 0.1 PPM 以上，臭氧才会起到杀菌、除异味的作用。
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但当浓度达到 0.15 PPM 后，臭氧就会产生很浓的恶臭，并且超过 30℃则不能使用，
否则可能致癌。苛刻的使用条件限制了其在民用环境中的使用。另外臭氧本身还
具有一定毒性、需要进行控制。不完全适用于有人的环境中。长时间呼吸高浓度
的臭氧空气，可以休克，引发肺气肿、肺部纤维化等疾病。此外，臭氧对橡胶制
品、织物、纸张等都具有不良的影响。处理一次一般仅可以维持 7-10 天，对后期
持续不断散发的有害气体没有去除效果。（六）空气净化器，在机械内部安装电
机驱动叶轮，可以使室内空气流动起来，然后利用机器进出口处的过滤系统将存
在于空气当中的颗粒、悬浮物、灰尘等污染物过滤掉，同时位于出风口处负离子
发生装置可以将带有一定浓度的负离子的洁净空气从出风口吹出，如此不断循环，
从而有效改善室内空气。但是空气净化器对空气中有害气体的作用有限，并且过
滤网的使用周期较短，需要不断更换。无杀菌功能、因为需要时常开启比较耗能。
（七）硅藻泥，硅藻泥的处理方式和活性炭类似，其主要成分为硅藻土，外观为
粉末状，内含蛋白质，质地轻软且多孔。电子显微镜显示，其颗粒表面具有无数
微小的空穴，孔隙率高达 90%以上，比表面积高达 65 m2/g。正是由于这种突出的
分子晶格结构特征，使得其具有极强的离子交换性能和物理吸附性能。但是硅藻
泥属物理吸收，其吸收率随着使用年限的增加而降低。达到饱和后，随着室内温
度的升高会二次释放出有害物质。虽然有抑菌的作用但是无抗菌功能。此外硅藻
土本身像沙子一样无粘性，硅藻泥内必须添加有粘性的物质，添加剂可以是化工
树脂也可以是天然材料。如果堵塞硅藻泥的小孔，这将直接影响其吸附性。（八）
植物净化，不同的植物会吸收不同的室内污染物，比如月季、玫瑰吸收二氧化硫；
薄荷有杀菌作用；长青藤和铁树吸收苯；万年青和雏菊可以清除三氯乙烯；银苞
芋、吊兰、虎尾兰和芦荟吸收甲醛。但是植物净化空气的效果与室内摆放植物的
量相关，一般家庭很难长期大量摆放植物。（九）光催化去除，当合适的光催化
剂吸收与其禁带宽度相匹配波长的光照射后，其内部由于吸收光能而激发产生电
子-空穴对，即光生载流子，然后迅速迁移到表面与氧和水发生反应生成自由基即
氢氧根离子和超氧离子，这些氧化能力极强的自由基几乎可分解室内所有对人体
或环境有害的有机物质和部分无机物，使其迅速分解为 H2O和CO2，达到净化空
气目的。在这些方法中光催化被认为是当今国际上 100%健康环保的治理方法。光
催化具有很多优点，如（1）安全性：光催化的原材料使用非常安全，对人体无害，
经常用于化妆品、食品添加剂和食品防腐处理等，绝对安全可靠；（2）持久性：
持久性使用，光催化原料在反应中起到催化剂作用，自身并不消耗，且作用效果
持久，其消毒、杀菌、清除有害有机物的时间可持续 5-15 年；（3）普适性：光催
化是一种还原媒，自身不发生变化，反应迅速，有光（太阳光、日光灯等可视光
第一章 绪论
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源）的场所都可以使用；（4）无选择性：几乎能分解全部细菌、病毒、有毒有害
气体，对作用物无选择性；（5）绿色环保：利用自然光净化环境，无毒无害，节
约能源，无二次污染；（6）应用广泛：光催化在常温、常压下就能完成污染物的
分解，对环境没有特殊的要求，应用范围十分广泛。其中利用光催化法治理空气
污染的方法最近今年逐渐得到人们青睐。可见，寻找高效的光催化剂对水和大气
治理具有双管齐下的作用。
1.1 光催化概述
1.1.1 光催化的研究进展
1972 年，Fujishima 和Hongda[13]在《Nature》杂志上发表关于利用光持续照射
二氧化钛电极而分解水产生氢气的文章，从此拉开了光催化研究的序幕。紧接着
1976 年Carry J H 等人[14]利用二氧化钛光催化降解多氯联苯，在半导体用于催化光
降解污染物方面的研究迈进了很大的一步。几乎同时 Frank 等人[15]也证实了在紫外
光的辐射下，二氧化钛可以分解水中的氰化物。此后，人们从各个方面对光催化
进行了深入浅出的研究，经过多年的探索发现如二氧化钛、三氧化钨、氧化锌等
材料在太阳能储存与利用，光电转化及对环境中污染物的光催化降解等方面前景
诱人。大量实验证明，半导体光催化不仅能降解水中的各种有机芳香化合物，还
可以将这些有毒的贵金属离子、氰化物、亚硝酸盐等物质氧化分解为无毒的物质，
甚至可以用于制氢、杀菌和杀死癌细胞等[16-19]。由于半导体光催化的反应体系仅需
要在有光使得需要特定的环境才能实现的反应可以在比较温和的条件下得以发生
并顺利进行。光催化可以利用太阳光和空气直接把许多有毒有害的有机污染物分
解为无毒无害的无机小分子物质、二氧化碳和水，达到降解有害物质又不带来二
次污染的目的同时光催化剂具有廉价、无毒、稳定及可以重复使用等优点[20-21]。
光催化氧化法属于化学氧化法的一种类型，是近 20 年来发展起来的一种新型
水处理技术。所谓光催化就是在光的照射下进行的化学反应即反应需要分子吸收
特定波长的光，受激发产生激发态，然后发生化学反应生成新的物质，或者变成
引起热反应的中间化学反应，光化学反应的活化能都来源于光子的能量。随着纳
米科学技术的发展，物质的“细小化”越来越受到人们的青睐，研究发现当物质
被“粉碎”到纳米级并制成纳米材料时将具有多种物理效应，不仅电、光、磁、
热等特性发生变化，而且还会增加如辐射、催化、吸收、杀菌等许多新特性。有
研究表明，纳米技术对水中粒径污染物的去除能力是其他技术无法替代的，认为
纳米技术可在污染修复、低成本脱盐等领域发挥重要的作用，其中应用最广泛是
纳米催化材料方面[22]。其是在常规催化氧化法基础上发展起来的，是以纳米材料
为催化剂来催化氧化水中的污染物，研究表明效果非常好。本论文所使用光催化
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原材料为氧化锌和二氧化钛的纳米结构，这两种原料都简单易得、价格便宜、无
毒无害，且其纳米结构非常适合于光催化，通过和单原子层二硫化钼的复合很大
程度上提高了他们的催化性能，促进其实用化。
1.1.2 光催化的作用机理
光催化是一种在光的照射下所进行的化学反应，主要是利用自然界存在的光
能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围的氧气及水分子激发
成极具氧化力的自由负离子，这些自由负离子可以与有机污染物发生反应，将其
降解为对环境无害的二氧化碳和水，从而将有机物去除。对于半导体光催化来说
其大多是硫族化合物半导体，它们具有比较特别的能带结构，与金属或绝缘物质
的能带结构有明显区别，即在价带和导带之间存在一个禁带。由于半导体的光吸
收阈值与带隙具有 K=1240/Eg(eV)的关系，因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈
值大部分都处在紫外区域。因此当能量大于半导体禁带宽度的光照射半导体时，
光激发电子跃迁到导带，形成导带电子（e-），同时在价带留下空穴（h+）。由于
半导体能带的不连续性，使得电子和空穴具有相对比较长寿命，故而电子和空穴
能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，当运动到表面时与吸附在半导体催化
剂表面上的污染物物质发生氧化还原反应，如图 1-1所示以氧化锌为例来说明光催
化反应的机理，其中空穴能够与吸附在催化剂表面的 OH-或者 H2O发生作用，进
而生成氢氧自由基（HO·）。HO·是一种强氧化性粒子能够无选择的氧化多种有机
物从而使这些有机物矿化，是光催化反应体系中主要的氧化剂。另一类活性很高
的粒子是 HO2•以及 O2—•是由光生电子与 O2发生作用生成的，这些活性氧自由基
也能参与氧化还原反应降解有机物[23-25]。
图1-1 半导体光催化反应机理图
1.1.3 光催化反应的影响因素
摘要：

摘要二硫化钼（MoS2）是一种类石墨烯过渡金属二硫化物。单原子层MoS2凭借其超薄的层状结构和适宜的禁带宽度（1.9eV），在纳米电子学，光电子学和微纳器件等领域备受关注。此外，凭借丰富的边缘结构、巨大的比表面积、良好的化学稳定性和对可见光的高利用效率，单原子层MoS2逐渐成为新型光催化材料的研究热点。ZnO纳米片虽具有很大的比表面积但是由于禁带宽度较大，对可见光的利用效率较低。本论文试图通过设计制备单原子层MoS2/ZnO纳米片复合光催化剂提高对太阳光的全波段吸收利用效率。本论文主要研究内容为三部分（1）高质量氧化锌纳米片的制备：利用化学气相沉积法通过改变载气中氧气的流量和磷掺杂量制备氧化锌...

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单原子层MoS2 ZnO纳米片的制备及其在光催化降解有机染料方面的应用.pdf

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作者：侯斌 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：93 页 大小：5.79MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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