MoS2/g-C3N4 納米催化劑的制備及其催化性能研究

周宣伯 李秀梅 黃艷菊 于洋

（通化師范學(xué)院，吉林 通化 134001）

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，如何治理環(huán)境和保證現(xiàn)有環(huán)境不被污染是我們現(xiàn)在面臨的重大問題，廢水處理技術(shù)作為當(dāng)今消除環(huán)境污染物的主要手段，備受人們的關(guān)注。當(dāng)前，光催化降解是解決廢水污染物最具前景的方法之一。過去幾年，許多光催化劑被開發(fā)出來，但由于其在光催化反應(yīng)系統(tǒng)中存在可見光吸收能力低、對人類健康和環(huán)境有害等缺點，大大限制了這些光催化劑在實際中的應(yīng)用。因此該技術(shù)的關(guān)鍵是尋找一種低成本、高效率，綠色環(huán)保的光催化劑。g-C3N4作為一種非金屬有機半導(dǎo)體材料，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與大多數(shù)半導(dǎo)體材料相比具有無毒無害且廉價易得的優(yōu)點，成為光催化領(lǐng)域中的熱點材料。然而，純相g-C3N4仍存在許多不足之處，例如比表面積低，光生電子和空穴的復(fù)合率高等。將純相g-C3N4與其他輔助催化劑相結(jié)合是提高光催化效率的一種重要方法。2017 年，Jin 等人采用水熱方法成功地合成了不同重量比的g-C3N4/Ag2MoO4納米復(fù)合材料，實驗結(jié)果表明，當(dāng)兩者重量比為80%時，納米復(fù)合材料具有最佳的光催化性能，是單純g-C3N4催化性能的3.92 倍。Li 課題組采用光輔助方法成功地合成了界面緊密結(jié)合的II 型異質(zhì)結(jié)構(gòu)g-C3N4/ZnO 納米棒陣列，用于光催化制氫領(lǐng)域。

二維納米材料MoS2作為當(dāng)今最有前途的半導(dǎo)體光催化劑之一，不僅成本低，而且具有較大的比表面積、復(fù)雜的邊緣結(jié)構(gòu)和高度不飽和的性能，在光催化劑、超級電容器和傳感器等方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。報道研究顯示，MoS2可以結(jié)合半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)加速光催化析氫，在光催化中具有重要意義。g-C3N4和MoS2的有效結(jié)合對于電子的快速轉(zhuǎn)移至關(guān)重要，理想的g-C3N4/MoS2光催化劑在很大程度上取決于它們的制備方法。近年來，越來越多的MoS2與g-C3N4復(fù)合材料被成功合成，并將其應(yīng)用在能源、催化等領(lǐng)域。2019 年，吳等人通過水熱方法在g-C3N4上成功地原位生長了MoS2納米片，當(dāng)MoS2納米片的厚度小于10nm，可以提高光降解過程中光產(chǎn)生電荷的傳輸速率。且g-C3N4和MoS2之間形成的異質(zhì)結(jié)界面，顯著提高了催化劑的穩(wěn)定性。

本論文通過簡單的水熱方法將MoS2與g-C3N4復(fù)合，并將其應(yīng)用于光催化降解領(lǐng)域。水熱后g-C3N4形貌發(fā)生改變，由塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米管狀。且MoS2納米花緊密地結(jié)合在g-C3N4納米管表面，二者緊密結(jié)合，有利于光生電子和空穴的有效轉(zhuǎn)移。最后，在可見光照射下催化降解污染物甲基橙(MO)，對所制備納米材料的光催化活性進(jìn)行評估。

一、實驗部分

（一）純相g-C3N4 的制備：

利用熱聚合三聚氰胺的方法合成了體相g-C3N4。方法如下：將5g三聚氰胺放入坩堝中，在馬弗爐中于500°C 和520°C 下分別煅燒2h，將所得樣品冷卻至室溫，研磨，所得到的淡黃色粉末記為g-C3N4。

（二）MoS2/g-C3N4 樣品的制備：

通過水熱法制備MoS2/g-C3N4納米催化劑，具體步驟如下：將0.05g g-C3N4粉末加入20mL 蒸餾水中，超聲，向其中加入0.394g Na2MoO4·2H2O，攪拌半小時，用離心機離心，然后用蒸餾水、乙醇清洗所得樣品，接著將得到的樣品溶于20mL蒸餾水中，加入0.1g硫代乙酰胺(TAA)，攪拌1h，最后置于反應(yīng)釜中，于180°C 下反應(yīng)18h，所得樣品記為MoS2/g-C3N4納米催化劑。為了進(jìn)行對比，在不加入鉬酸鈉和硫代乙酰胺的情況下，直接將g-C3N4粉末置于反應(yīng)釜中于180°C 下反應(yīng)18h。

二、結(jié)果與討論

（一）結(jié)構(gòu)與形貌分析

為了證明樣品被成功制備，通過XRD 考察了樣品的晶相結(jié)構(gòu)。圖1 為g-C3N4及MoS2/g-C3N4樣品的XRD 譜圖，位于13.1°和27.6°處展示出兩個衍射峰，這兩個衍射峰分別歸屬于純相g-C3N4結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)衍射峰和層間衍射峰。然而，從納米復(fù)合物MoS2/g-C3N4的XRD 圖譜中并沒有觀察到明顯MoS2的衍射峰，這是由于在所合成的納米材料中MoS2的含量較低，且MoS2在g-C3N4表面分散性良好所致的。

純相g-C3N4直接水熱的TEM 照片如圖2A 所示，從圖中可以看出水熱后的g-C3N4具有均勻的納米管狀結(jié)構(gòu)。圖2B 為單純MoS2樣品的TEM 照片，可見利用水熱法合成出了粒徑均勻的MoS2納米花，由圖2B 右下角放大的電鏡照片也可以清晰的看到MoS2是由諸多納米片堆成的納米花狀結(jié)構(gòu)。所制備的復(fù)合材料MoS2/g-C3N4的透射電鏡照片如圖2C-D 所示，可見MoS2納米花包裹在g-C3N4納米管表面，二者緊密結(jié)合，這對其光催化性能的提高是十分有益的。

（二）MoS2/g-C3N4 的光催化活性測試分析

g-C3N4和MoS2/g-C3N4納米催化劑在可見光照射下降解污染物MO 的C/C0 與時間的變化關(guān)系如圖3 所示，照射時間為40min 時，純相g-C3N4對污染物MO 的降解效率不大。然而在MoS2/g-C3N4納米復(fù)合催化劑存在的反應(yīng)系統(tǒng)中，污染物MO 幾乎被完全降解。當(dāng)可見光照射40min 時，MoS2/g-C3N4對污染物MO 的催化降解效率高達(dá)98.6%。納米復(fù)合催化劑具有優(yōu)異的光催化性能主要歸因于MoS2與g-C3N4緊密結(jié)合，促進(jìn)電子和空穴的有效轉(zhuǎn)移，使復(fù)合物的催化性能提升。

三、結(jié)論

通過采用水熱法成功合成了MoS2/g-C3N4光催化劑，其降解污染物MO 的效率高達(dá)98.6%，這是由于所形成的納米復(fù)合物中MoS2納米花緊密地包裹在g-C3N4納米管表面，二者緊密結(jié)合，有利于光生電子和空穴的快速轉(zhuǎn)移，從而提高了納米催化劑的光催化活性。當(dāng)前，MoS2和g-C3N4納米催化劑在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用及研究相對較少，所以開發(fā)出同類型納米復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于光催化降解領(lǐng)域尤為重要。新型MoS2/g-C3N4復(fù)合材料作為高效光催化劑，可作為一種極具前景的環(huán)境應(yīng)用材料，且二次污染小，成本較低。