硫化铋光催化剂的可控合成与表征

论文总字数：20358字

目 录

1.前言 4

1.1 光催化剂研究背景 4

1.2 光催化原理 5

1.3 硫化铋光催化剂的研究进展 6

1.4 本课题研究的目的及内容 7

2.实验药品及仪器 7

2.1 实验主要药品 7

2.2 实验仪器 8

3.硫化铋的制备及表征 8

3.1 1.0mL/mol尿素溶液的制备 8

3.2 水热合成法制备硫化铋 8

3.2.1 改变硫源加入量制备硫化铋 9

3.2.2 改变尿素加入量制备硫化铋 9

3.3 共沉淀法制备硫化铋 9

3.4 样品表征 10

4.结果分析与讨论 10

4.1 水热法制备得到的Bi₂S₃分析 10

4.1.1 改变硫源加入量制备得到的Bi₂S₃分析 10

4.1.2 不同尿素加入量条件下制备得到的Bi₂S₃分析 11

4.2 沉淀法制备得到的Bi₂S₃分析 13

5.结论与展望 14

5.1 结论 14

5.2 展望 15

参考文献 16

致谢 19

硫化铋光催化剂的可控合成与表征

梁舒予

,China

Abstract:There are many kinds of photocatalysts,in this experiment, bismuth sulfide (Bi₂S₃） was selected as the reseach object, mainly to study the controllable synthesis and characterization of Bi₂S₃. Bi₂S₃ was synthesize via hydrothermal reaction method and coprecipitation method. Bi₂S₃ photocatalyst were synthesize by hydrothermal reaction using bismuth nitrate pentahydrate (Bi(NO₃)₃·5H₂O), urea and thiourea (NH₂)₂CS as raw material and urea (NH₂)₂CS as mineralizer. Hydrothemal reaction time is 12h and hydrothemal reaction temperature is 120℃.Coprecipitation method with bismuth nitrate pentahydrate (Bi(NO₃)₃·5H₂O) and thiacetamide (H₃CCSNH₂) thermostatic mixing 4h under 75℃.In the process of synthesis,the influence of adding amount of sulfur source and mineralizer on the size and morphology of the product were studied systematically. The sample of bismuth sulfide were characterized by X-ray fiffraction (XRD), scanning electron microscope(SEM). The experimental results show that the amount of sulfur content influences the structure and morphology of bismuth sulfide,and the excessive sulfur source is beneficial to the formation of high quanlity bismuth sulfide struture;the addition of urea amount of bismuth sulfide morphology has important influence,along with the increase in the amount of urea,the morphology of bismuth sulfide large changes have taken place.

Key words:Bi₂S_3; hydrothermal method; coprecipitation method;mineralizer

1.前言

• 1. 光催化剂研究背景

目前，能源危机和环境污染已成为人类生存的两个重大挑战，迫切需要新的方法来解决这些问题。光催化学科于20世纪70年代问世，经过几十年的发展，光催化已经成为一门新兴的交叉学科，涵盖了催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多门学科。光催化剂作为新材料的代表，目前已经广泛应用于环境净化，自清洁材料，光解氢气，太阳能电池，癌症医疗，高效率抗菌等许多前沿的领域。在常温常压下，光催化技术仍然可以进行，有机污染物或无机污染物都能够被完全降解，并且能够又快又安全的氧化成无害物质如CO₂、H₂O等，这样一来，二次污染得到了有效避免，从而达到净化环境的目的。

^[1]上世纪70年代，日本科学家Fujishima等发现，在紫外光线照射下，催化分解水可以由TiO₂单晶电能级来实现，从而产生氢气（FujishimaA,1972），^[3]但是由于TiO₂光催化剂的禁带宽度较宽（一般在3.2-3.0左右），所以TiO₂只能够吸收紫外光，波长在387nm左右，不能够吸收可见光，并且紫外光在整个太阳光中占的比例很小，因此不能有效利用太阳能。TiO₂的量子效率低，在实际中不能得到高效的利用也是因为这个原因导致的。

在传统的光催化剂二氧化钛的基础上，其他的光催化剂材料也陆续被发现，如CdS、Bi₂S₃、MoO₃、WO₃、C₃N₄等，对于这些光催化剂的研究也得到了广泛应用。目前，对光催化现象的认识已经深入人心，而且在工业生产、公共生活中也应用了相关的光催化原理，换句话说，光催化已经得到了长远的发展，而且光催化研究工作也吸引了许许多多的研究工作者。然而，由于技术手段和科技发展水平对光催化研究工作的限制，现在，人们对光催化原理的探究还不够透彻，涉及到的科研成果并不能让光催化技术走向大规模化和工业化，我们仍旧需要深入开展光催化的基础研究工作，以此来促进光催化科研领域的发展。除此之外，还有很多因素限制了光催化剂材料的发展，^[4]例如光响应范围窄、量子转换效率低、太阳能利用率低等，这些仍然是限制光催化材料应用于大众生活的限制因素。发现和制备高量子效率光催化剂，是实现光能充分利用的首要条件，同时，这也是研究光催化材料的研究工作人员要解决的最重要的任务之一。目前，^[5]对新型光催化材料研究的方法主要集中在以下几个方面：

(1)改造带隙较宽的光催化材料的结构，使该材料可以响应并且吸收可见光；

(2)对可以响应可见光的新型的光催化材料进行深入探索，或者用各种方法将其构造出来，如构造Z型复合光催化剂。目前，使光催化材料可以响应可见光的方法主要有通过元素掺杂来改良其性能、半导体复合和光敏化等；

(3)^[6]通过对光催化材料微观结构的控制，从能带结构设计、晶体结构、缺陷工程出发，理论计算与实验相结合的方法来得到可以响应可见光的光催化材料。

1.2 光催化原理

^[7-8]光激发半导体产生催化作用的基本原理是由能带理论推理而来的，从能带理论的基本原理出发，由于半导体与其他材料不同，半导体的能带结构比较特殊，一般由填满电子的低能价带（VB)和空的高能导带（CB）构成，他们之间存在一个带隙，这个带隙的宽度称为禁带宽度(Eg)。当能量等于或大于禁带宽度的光照射到半导体材料上时，半导体的电子吸收光的能量形成自由电子，并由价带(VB)跃迁到导带(CB)上，同时在价带(VB)上产生相应的空穴(h )，从而形成高能量的电子-空穴对。图1可以很好的解释了半导体光催化的原理：当入射光的能量等于或高于半导体材料的禁带宽度时，照射到半导体光催化剂材料上，半导体材料的价带(VB)上的电子就会受到激发而跃迁至导带上形成光生电子(e^-)，并且在原来电子所处的价带(VB)上形成对应的光生空穴(h )。内部电场作用于光生电子-空穴，使其分离并迁移到半导体材料表面，进而在表面发生一系列的氧化-还原反应。导带上的光生电子(e^-)具有强还原性，吸附在半导体催化剂表面的氧气(O₂)都能够被还原为超氧自由基(·O₂^-)，再与有机物直接反应，或者直接将吸附在表面的氢离子(H )还原为氢气(H₂)。价带上的光生空穴(h )具有强氧化性，吸附在催化剂表面的部分有机物可以直接被氧化分解为无污染的CO₂和H₂O；光生空穴还可以与水(H₂O)或羟基(OH^-)作用，得到氧化性更强的羟基自由基(OH·)，进而将污染性有机物转化为无害的CO₂和H₂O。此外，在催化过程中，光生电子(e^-)和光生空穴(h )在向半导体材料表面迁移的过程中，会发生复合，将能量以光能或者热能的形式释放出去。以硫化铋为例，光催化剂催化具体反应方程式如下：

图1 光催化原理图

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