二硫化鎢在光催化的應用前景

霍偉

摘要：光催化技術作為一種高效、安全的環境友好型環境凈化技術，對室內空氣質量的改善已得到國際學術界的認可。但是在該領域還存在各種局限性：光腐蝕、光催化劑本身的吸光率和評價中使用光源的波長與強度、光催化反應中電子空穴再結合的防止、氧化反應開始后的后續反應難以控制、比表面積不足等。

關鍵詞：光催化、光催化劑、二硫化鎢、納米材料

光催化的原理是基于光催化劑暴露紫外線直射下具有氧化還原能的力從而凈化污染物。

1967年藤島昭教授在一次試驗中發現光催化反應，光催化技術是一種在能源和環境領域有著重要應用前景的綠色技術，在光的照射下可將有機污物徹底降解為二氧化碳與水，同時光催化材料自身無損耗。光催化劑的種類很多，比如TiO2、ZnO、SnO、ZrO、CdS等多種氧化物硫化物半導體。光催化的原理：光催化的原理是利用光來激發二氧化鈦等化合物半導體，利用它們產生的電子和空穴來參加氧化—還原反應。 當能量大于或等于能隙的光照射到半導體納米粒子上時，其價帶中的電子將被激發躍遷到導帶，在價帶上留下相對穩定的空穴，從而形成電子—空穴對。由于納米材料中存在大量的缺陷和懸鍵，這些缺陷和懸鍵能俘獲電子或空穴并阻止電子和空穴的重新復合。這些被俘獲的電子和空穴分別擴散到微粒的表面，從而產生了強烈的氧化還原勢。催化原理是基于光催化劑在光照的條件下具有的氧化還原能力，從而可以達到凈化污染物、物質合成和轉化等目的。通常情況下，光催化氧化反應以半導體為催化劑，以光為能量，將有機物降解為二氧化碳和水。限制光催化的原因：第一，光催化劑分解有機物沒有選擇性，所以，負載催化劑的材料本身也會遭到分解，一旦催化粒子脫落，材料就失效了;第二，催化劑粒子的團聚現象比較嚴重，導致比表面積太小，催化效果太弱，而由此又導致氧化反應不徹底，反而容易產生其他有害物質。第三，光催化反應對光源的選擇性很強，僅能在紫外光作用下反應，這在一定程度上限制了催化效率，即光腐蝕。石墨烯抗光催化：香港理工大學柴揚課題組選擇CdS這種高性能的催化劑作為基體材料，在.上面轉移三層石墨烯作為覆蓋層，實現了8倍光催化壽命的提升，同時也讓光催化效率提高了2.5倍。石墨烯層不光具有高的光透過率，能夠輔助光吸收的特性，并且可以促進界面載流子轉移，減少載流子重組。借助石墨烯強的空間位阻效應，石墨烯還能隔絕外界的水與氧，，他們還通過理論計算證明哪怕石墨烯晶格缺失了8個原子，其阻礙能最低也有0.32 eV，水和氧根本無法透過這層薄膜，三層石墨烯能極好的抵抗光腐蝕。對于二硫化鎢與石墨，二硫化鎢可以替代石墨的幾乎所有的應用領域，且用途更廣。鉬和鎢是同族化學元素，而且，因為鎢比鉬質量更重所以化學性質更穩定。球形層狀納米二硫化鎢的制備：在室溫下，量取鎢酸鈉（5mM）.硫代乙酸胺（15mM）溶于30ml蒸餾水中，置于磁力攪拌器上充分攪拌直至完全溶解。形成透明的溶液： ?然后將添加劑硅酸鈉Na2SiO39H2O （0.3g） 然后持續不斷攪拌，加入上述溶液之中直至完全溶解：在連續磁力攪拌的條件下加入NH3H2O調節PH值達到6前后：將上述混合溶液轉移至50毫升的聚四氟乙烯內襯不銹鋼高壓釜中，將高壓釜密封，然后將其放在數字恒溫控箱里維持200攝氏度反應24小時; 最后把產物自然冷卻到室溫，用一定速度進行高心分離，用去高子水與無水乙醇洗滌黑色沉淀數次; 將得到的產物在80攝氏度真空干燥箱里干燥10小時得到二硫化鎢納米球。二硫化鎢覆蓋CdS：采用丙酮、異丙醇、蒸餾水對摻氟氧化錫（FTO）涂層玻璃基材進行超聲清洗，再用氮氣吹干。隨后，在恒流密度為-的雙電極系統電池（FTO玻璃為工作電極，Pt箔為反電極）中，在室溫條件下將CdS膜電沉積到FTO玻璃基板上0.5 mA cm-2，時間為3.5 分鐘。電解質為含有0.01 M Cd（NO3）2和0.02M S 的DMSO溶液。電沉積后，將制備好的CdS電極浸在丙酮中三十秒，然后用氮氣吹干。采用逐層轉移的方法獲得雙層、三層二硫化鎢。隨后，將涂覆pmma的二硫化鎢轉移到CdS電極表面，然后在65℃下退火CdS/二硫化鎢光催化劑，以增加CdS與二硫化鎢之間的附著力。最后，用丙酮除去二硫化鎢表面的聚甲基丙烯酸甲酯。指甲油是用于固定和確定二硫化鎢覆蓋CdS光催化劑的有效面積。球形層狀二硫化鎢包裹TiO2 后能夠控制比表面積和有效抵抗光腐蝕。

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