Bi2S3納米材料的制備及其性質研究

邱世杰 王紅宇 王天倚 王浩 何亮

摘要：Bi2S3是一種重要的半導體材料，它在光催化材料﹑熱電材料等方面具有很大潛力和應用價值。本實驗以硝酸鉍為鉍源，以硫代乙酰胺為硫源，采用水熱法對Bi2S3納米材料進行制備，在100℃條件下恒溫反應12小時，最后得到反應物。通過X射線衍射（XRD）對樣品進行了表征研究，分析反應溫度和時間對Bi2S3形貌形成的影響。并且提出了Bi2S3未來的趨勢和展望。

關鍵詞：水熱法 硫化鉍 表征分析

一、前言

人們關于納米材料的首次設想是在20世紀50年代末期，由諾貝爾物理學獎得主查德.費曼教授在物理年會的演講中提出的，如果將微小顆粒按照規律排列組合，該物體最終將會表現出獨特的性質，而這種物體后來被稱為納米材料。隨后在1991年德國人Gleiter成功制備出納米材料 [1]。

Bi2S3作為納米材料的一種，是一種層狀結構的半導體化合物。它屬于正交晶系，其晶格參數為：a=0.4025m，b=1.117nm，c=1.135nm。另外，它的能帶隙寬度為1.2～1.7eV。納米Bi2S3不但能夠使吸收波長與熒光發射峰產生藍移的現象，同時能夠發生非線性光學響應，而且能夠使納米粒子的氧化、還原能力加強，使它得到更好的光電催化能力。在光電二級管陣列、光催化材料、熱電冷卻技術和光電轉化器等方面有著廣闊的應用前景[2]。隨著人們研究的深入，制備方法的增多，納米材料Bi2S3在各個領域有了顯著的成果。催化領域中Wu等利用熱注射技術制備點狀Bi2S3納米顆粒，將10mg樣品加入40ml濃度為20mg/L的羅丹明B中，反應體系在500W水銀燈照射下經歷2h，對羅丹明B 的降解效率就達到100%，是一種理性的光催化劑[3]。

目前關于Bi2S3制備的方式有很多種，如溶劑熱法、水熱法、回流法、高溫固相法、離子液法以及微波合成法。其中水熱法由于成本低廉，操作簡單、環境友好等優點受到廣大研究人員的青睞。Yu等以硝酸鉍和硫代硫酸鈉為原料，利用簡單的一步水熱反應制得單晶Bi2S3納米線，SEM觀察表明，納米線徑向尺寸均一，約為60nm，長度為幾百納米到幾微米，通過改變反應時間，還可以得到顆粒狀和棒狀Bi2S3納米顆粒[3]。

本實驗從制備合成的角度出發，采用水熱法對Bi2S3納米材料開展相關研究。通過控制反應參數（如時間、溫度、配比）制備Bi2S3的反應物。

二、實驗方法

水熱法是制備納米材料的重要方法之一，它是指在特制密封的壓力容器（反應釜）中，以水作為反應媒介，在高溫高壓的條件下控制納米材料的形貌合成。相對于其他的制備方法，水熱法制得的顆粒具有結晶質量好、純度高、分散均勻、形貌可控等優點。

1.用電子天平稱取0.15g硫代乙酰胺，加入10ml的去離子水，放置在電磁攪拌器中至完全溶解;

2.用電子天平稱取0.48g硝酸鉍，加入10ml的N，N-二甲基甲酰胺，放置在電磁攪拌器中至完全溶解;

3.將上述溶液進行攪拌后轉移至80ml反應釜中，將烤箱溫度調至100℃，并保持溫度12h。

4.將反應完全的溶液進行超聲和離心處理，重復操作3次，抽出試管中的清液，將得到的底層固體沉淀物置于陰涼干燥處。

三、結果與討論

圖2為通過本實驗的水熱法合成路徑所得到的Bi2S3樣品XRD圖譜。從圖中可以看出Bi2S3結構的衍射峰和（JCPDS NO.17-0320）的斜方晶系Bi2S3相對應的很好，主要生長方向為（130）、（211）、（221）、（141）、（431）、（351）方向，沒有出現其它的雜項的衍射峰。其中在29和25處出現了最高峰和第二高峰，其對應的晶面為（211）和（130）。所有的衍射峰都比較尖銳，說明了在100℃下合成的Bi2S3樣品純度高、結晶性好。

四、結論

本實驗以硝酸鉍和硫代乙酰胺為原料，采用水熱法成功制備出結晶良好的Bi2S3，并通過X射線衍射（XRD）對所得樣品進行表征分析。實驗結果證明了在水熱溫度100℃，水熱時間12h的條件下能夠成功制備出Bi2S3。

因為納米材料的性質在很大程度上取決于納米材料的形貌和尺寸，有效的形貌控制合成就成為了納米材料制備領域的研究重點。而通過控制反應條件（如溫度、時間、配比）可以制備出不同形貌的Bi2S3，常見的形貌有納米花、納米線、納米棒、納米片等。目前國內外關于Bi2S3納米材料制備取得不少的進展，不同形貌的合成研究不是問題，但是對影響形貌的相關因素的研究需要進一步深入了解。比如反應原料、反應溫度和時間、襯底等。其次著重將Bi2S3與其他材料進行復合研究，發揮其協同效應，實現材料合成與性能的突破，這將是未來材料研究的重點方向之一。同時我們要做到理論成果與實際應用相結合，加快Bi2S3納米材料的產業化進程。

參考文獻：

[1]陳利霞. 不同形貌硫化鉍納米材料的制備研究[D].湘潭大學，2011

[2]馬麗莎. 硫化鉍及其復合物的制備及特性研究[D].濟南大學，2015

[3]胡海霞. 納米硫化鉍材料的制備-表征及性質研究[D].天津大學，2015

【基金項目】本項目受吉林省教育廳科學研究規劃項目，“可控制備貴金屬納米材料及催化性能研究”資助，項目編號：JJKH20200270KJ