1、水热法制备 TiO2/MoS2 纳米球光催化剂及其光催化性能研究 汪鹏生 李洋 李甲地 安徽理工大学力学与光电物理学院 摘 要： 采用两步水热法合成 TiO2/MoS2复合光催化剂.经过 X 射线衍射 (XRD) 和透射电子显微镜 (TEM) 分析表明, MoS 2成功复合在 TiO2纳米球上;合成的 TiO2/MoS2复合光催化剂提高了光电子-空穴对的分离效率.相比较纯粹的 MoS2颗粒和 TiO2纳米球, TiO 2/MoS2纳米球复合光催化剂具有较强的光催化性能, 光催化效果好.关键词： 纳米球; 水热法; 二硫化钼; 作者简介：汪鹏生 (1992-) , 男, 安徽安庆人.硕士, 主要
2、从事纳米材料研究;作者简介：李洋 (1980-) , 男, 安徽合肥人.副教授, 博士, 主要从事纳米材料研究.作者简介：李甲地 (1991-) , 男, 安徽阜阳人.硕士, 主要从事纳米材料的研究.收稿日期：2017-09-07基金：国家自然科学基金青年基金 (11404005) TiO2/MoS2 Composite Photocatalyst Prepared by Hydrothermal Method with Enhanced Photocatalytic ActivityWANG Peng-sheng LI Yang LI Jia-di School of Mechanics a
3、nd Optoelectronic Physics, Anhui University of Science and Technology; Abstract： The TiO2/MoS2 composite photocatalyst was synthesized by two-step hydrothermal method.The samples were characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, indicating that MoS2 has been successfully loa
4、ded on the surface of TiO2101nanoflower.Such a remarkable enhancement of photocatalytic activity was mainly attributed to the improved separation efficiency of photogenerated electron hole pairs.Compared with pure MoS2 particles and TiO2 nanospheres, TiO2/MoS2 nanospheres composite photocatalyst has
5、 strong photocatalytic performance and good photocatalytic effect.Keyword： nanosphere; hydrothermal method; molybdenum sulfide; Received： 2017-09-07近几年来, TiO 2被广泛应用于光催化领域, 虽然其具有无毒、氧化性好、可回收利用等优点1, 但纯粹的 TiO2光催化性能较低.本文采用两部水热法合成TiO2/MoS2纳米球复合光催化剂, 所合成的 TiO2/MoS2纳米球复合光催化剂对甲基橙 (MO) 溶液表现较强的光催化性能.1 实验方法1.1
6、TiO2纳米球的制备以钛酸四丁酯和醋酸为原材料, 通过水热法合成 TiO2纳米球.称量 0.5 mL 钛酸四丁酯和 5mL 醋酸于烧杯中, 超声搅拌 50 min, 超声搅拌结束后将上述溶液转移到 100mL 聚四氟乙烯内衬不锈钢高压反应釜中, 将反应釜再置于干燥箱中150条件下恒温 10h.自然冷却到环境温度后取出, 去离子水和无水乙醇分别对反应结束后的混合溶液离心清洗多次, 清洗结束后放置恒温箱里于 75条件下干燥 10h, 干燥结束后将粉末于退火炉中 350退火 4h, 得到的白色固体粉末为三维 TiO2纳米球.1.2 样品 TiO2/MoS2及其 MoS2的合成TiO2/MoS2的制备
7、.称量 0.3g 硫脲、0.25g 钼酸钠和 0.02g PVP, 溶解于 20mL 水中, 向上述溶液加入 1g 二氧化钛纳米球并超声搅拌 1h, 超声搅拌结束后将混合液转移到 100mL 聚四氟乙烯内衬不锈钢高压反应釜中, 将反应釜再置于干燥箱中 220条件下恒温 22h.自然冷却至环境温度后取出, 用去离子水和无水乙醇分别对混合液离心清洗多次.75条件下干燥 12h, 干燥结束后所得到的黑色粉末即为 TiO2/MoS2纳米球复合光催化剂.纯 MoS2在不添加二氧化钛的情况下合成, 合成步骤与 TiO2/MoS2的制备相同.1.3 样品光催化实验甲基橙 (MO) 的光催化降解实验在自制的露
8、天反应器中进行.将样品放在 50 mL烧杯中, 加入不含氧气泡的 40mL MO 水溶液 (20mg/L) , 在黑暗中搅拌 30min, 促使染料分子在催化剂表面的吸收, 然后观测样品的光催化效果.每 10min 从反应器中取出 3mL 溶液.溶液的吸光度在 UV-3200S 紫外-可见吸收光度计 (MAPADA分析仪器有限公司) 464nm 波长下测定.实验使用 420nm 截止滤光片获得可见光源, 溶液液面与灯的水平面垂直距离为 10cm.2 结果与讨论2.1 晶相结构分析图 1 是样品 TiO2和样品 TiO2/MoS2的 XRD 图谱.对于二氧化钛 (TiO 2) , 检测到的峰与锐
9、钛矿的标准峰匹配 (JCPDS 21-1272) , 表明成功制备出了二氧化钛 (TiO2) .由图 1 可以看出, TiO 2与复合材材料 TiO2/MoS2中的 TiO2主要以锐钛矿晶型存在.3复合材料光催化剂中并没出现明显的 MoS2衍射峰, 这可能是复合在 TiO2纳米表面上的二硫化钼 (MoS 2) 太少而不能被 XRD 检测.4图 1 样品的 XRD 图谱 下载原图2.2 样品的形貌分析图 2 是 TiO2纳米球和 TiO2/MoS2复合纳米球的投射电镜图.由图 2 (a) 可以看出, 合成的 TiO2纳米球大小基本一样, 半径约为 800nm.图 2 (b) 和图 2 (c) 的
10、图像进一步显示出 TiO2/MoS2复合纳米球呈现球状结构, 球的大小较均一, 且复合在 TiO2纳米球上的 MoS2颗粒大小基本一样, 半径约为几十纳米.通过高倍透射电镜观察 (图 2d) , 能够观察到两种类型的晶格条纹, 其晶格间距分别为0.62nm 和 0.35nm, 分别对应着六方相 MoS2的 (002) 界面和锐钛矿相 TiO2 (101) 界面.5由于 MoS2和 TiO2之间形成了良好的接触, 这种优异的接触能够使得光诱导在 TiO2表面产生的电子快速转移到 MoS2上, 缩短了电荷传输所需要的距离, 实现了电子与空穴的有效分离, 增强了光催化性能.图 2 (a) TiO2
11、的透视电镜图; (b) (c) TiO2/MoS2 的透视电镜图; (d) TiO2/MoS2 的高分辨电镜图 下载原图2.3 光催化性能分析图 3 显示以氙灯作为模拟太阳光源, 以甲基橙溶液 (MO) 为有机污染物的样品的光催化性能.如图 3 所示, 纯粹的 MoS2没有光催化性能 TiO2纳米球在 100min后甲基橙溶液浓度变化值为 75%, 说明其具有较强的光催化性能, TiO 2/MoS2具有极好的光催化性能.与纯粹的 MoS2颗粒和 TiO2纳米球相比, 在 100 min 后TiO2/MoS2纳米球降解率达到 99%.光催化性能提高的主要原因是 MoS2颗粒复合在样品 TiO2纳
12、米球上, TiO 2/MoS2这种复合光催化剂导致了有效的电荷分离, 抑制了光生电子空穴对的复合速率, 大大增强了光催化活性.图 3 样品光催化性能参考文献1YinH Y, WangX L, WangL, et al.Cu2O/TiO2heterostructured hollow sphere with enhanced visible light hotocatalytic activityJ.Materials Research Bulletin, 2015, 72:176-183. 2Hussain M, Tariq S, Ahmad M, et al.Ag-TiO2nanocompo
13、site for environment and sensing applicationsJ.Materials Chemistry and Physics, 2016, 181:194-203. 3齐中, 王熙, 李来胜, 等.基于水热法制备的 TiO2/MoS2 复合光催化剂及其光催化制氢活性J.环境化学, 2016 (5) :1027-1034. 4Chang K, Chen W, Ma L, et al.Graphene-like MoS 2/amorphous carbon composites withhighcapacity and excellent stability as
14、anode materials for lithium ion batteriesJ.Journal of Materials Chemistry, 2011, 21:251-254. 5Liu H, Lv T, Zhu C, et al.Efficient synthesis of MoS2nanoparticles modified TiO2nanobelts with enhanced visible-light-driven photocatalytic activityJ.Journal of Molecular Catalysis A:Chemical, 2015, 396:136-142.
