项目 名称 | 纳米***覆层结构的***法制备及光催化性能研究 | 研究 类别 | 基础研究 | 基础研究 | ||||||||
应用研究 | ||||||||||||
试验发展 | ||||||||||||
研究 年限 | 2019年9月至 2021年 4月 | 申请经费（万元） | 1 | |||||||||
项目 负责 人 | 姓名 | 性别 | 女 | 身份证号 | ||||||||
年级 | 学科专业及研究方向 | |||||||||||
指导 教师 | 姓名 | 性别 | 男 | 身份证号 | ||||||||
技术职称 | 学科专业及研究方向 | |||||||||||
目前指导 学生数 | 硕士： 3名 | |||||||||||
主要 研究 人员 | 姓 名 | 身份证号码 | 技术职务 | 专业 | 所在单位 | 本人签名 | ||||||
项目 负责 人主 要学 习和 工作 经历 | 2018.09-2019.09:***2018级材料科学与工程专业,硕士生。 2014.09-2018.07:***2014级材料科学与工程专业,本科生。 | |||||||||||
1.研究意义 环境是目前人类面临的主要挑战之一，解决环境污染刻不容缓。如何高效、环保、低价的处理环境污染问题就是材料和化学科学家关注的焦点。由于某些半导体化合物具有显著的光学效应和光催化降解活性，为解决污水净化提供了新途径。例如，MoS2具有类石墨烯层状结构并且具有天然带隙，块体和单层 MoS2的禁带宽度分别为1. 3eV 和1. 假牙清洁剂8 eV。当其厚度逐渐减小至单层时，其带隙由间接带隙转变为直接带隙，这使 MoS2 在光电探测、能量存储、气体传感，可见光催化等方面具有广阔的应用前景[1-3] 。从目前的研究基础和技术层面看，单层的MoS2性能特出，但制备方法复杂，量产困难，难以在实际产业中大量应用。而单纯的MoS2纳米粉体，由于自身片层结构易于聚集和重叠，其光催化活性太低。因此，通过***和复合的方法将二硫化钼薄层与其它纳米半导体氧化物进行有效复合，通过其覆层结构界面上的光电耦合效应，显著提高其催化活性是一种有益的尝试。 研究显示，ZnO是一种直接带隙Ⅱ-VI族半导体材料，具有来电显示管理系统六方纤锌矿结构，室温下带隙宽度为3.37eV，在紫外光下有优良的催化性能和强烈的荧光现象。因其能带间隙较大，光生载流子与空位容易复合，在可见光段其催化性能、荧光强度大幅降低，最大限度的提高ZnO的可见光催化效应及稳定性就成了关键问题。如果能将储量巨大、性质稳定的天然二硫化钼通过适当的方法制备成薄层或单层结构复合在纳米氧化锌表面上形成***覆层异质结构，使两种不同能带隙的材料达到光电性能的有效耦合，就可能有效提高该材料的可见光催化效果。因此，深入研究***覆层的***和覆层方法以及光催化机理，阐明工艺、结构、性能之间的规律，在丰富和发展硫化钼复合材料制备方法和性能研究方面具有重要的科学意义，而且在解决环境污染方面具有实际意义。 2.国内外研究现状和发展趋势 目前在提高MoS2光致发光方面的方法可以分为两大类。一种是化学方法，这是一种通过控制载流子浓度的的技术。Amani 等[4]利用有机酸双（三氟甲烷）磺酰亚胺（ TFSI）处理单层MoS2，Mouri 等[5]通过四氰二甲基对苯醌( F4TCNQ) 和四氰基对苯二醌二甲烷( TCNQ) 等 p 型掺杂剂处理单层 MoS2，均使二硫化钼光致发光强度增加；但其对实验条件要求苛刻，并且随着时间的变化，其光致发光效应会逐渐衰弱。改善 MoSgprs水表2光致发光性能的另一种方法是利用等离子体共振效应[6]。等离子体共振效应是利用金属纳米粒子在谐振波段展现出很强的光谱吸收，从而获得局域表面等离子共振光谱[7]。Lee 等[8]在 2017 年提出利用自组装的 Au 纳米颗粒改善 MoS2的光致发光强度的方法，成功将 MoS2的光致发光强度提高了 10 倍左右。但这种方法成本较高，限制了其实际应用。 单层的二硫化钼表现出优异的光催化性能。Ya Yan 等［9］通过溶剂热的方法制备了超薄MoS2纳米片，由于高的比表面积，超薄 MoS2纳米片表现出优异的催化性能。然而，本征MoS2由于激子集合能高，导致光生电子空穴容易复合，严重影响了MoS2的光降解效率。 上述处理方法虽然能够提高MoS2的光致发光性能，光催化性能，但其对二硫化钼的层数都有较大的要求，这是很受限制的。通过各种实验数据发现，MoS2的光致发光有 p 型增强，n型抑制的特性，这使得通过物理复合非金属元素或化合物至 MoS2薄膜晶体中以提高其光致发光效率成为可能。而且将不同禁带宽度半导体材料复合, 可以在界面处建立界面异质结电场[10-11], 利用该电场对光生电子和空穴的分离作用, 可以有效调制复合物光致发光性能及光催化效率。Tan等[12]使用MoS2-ZnO复合纳米颗粒对亚甲基蓝光降解实验表明, 与纯MoS2纳米颗粒相比, 沉积有ZnO纳米粒子的光催化效率明显更高，对亚甲基蓝光催化降解实验证实, ZnO的存在能够显著提高光催化性能, 其主要原因是由于ZnO的加入减少了MoS2纳米颗粒上电子-空穴对的复合。另外, MoS2纳米颗粒沉积在TiO2纳米带上制得的复合材料, 对罗丹明B的光降解活性明显优于纯TiO2纳米带[13]。但是目前尚未有关于通过纳米粒子与天然二硫化钼的互剪切作用将薄层二硫化钼覆层于纳米材料表面的研究报告。 基于上述分析，本项目尝试利用纳米氧化锌粒子与二硫化钼层间的互剪切作用，实现对天然二硫化钼层的减薄以及***覆层异质结构的形成。天然二硫化钼在自然界的产量是极其丰富的，相对于以往的化学合成方法，往往需要昂贵的原料来制备薄层的二硫化钼，此方法大大提高了对天然资源的利用率，也为复合材料制备方法提供了新的途径。并且利用不同禁带宽度半导体界面处的异质结电场对光生电子和空穴的分离作用, 可以有效调制复合物光致发光性能。通过提高光生电子和空穴分离与转移能力, 可以有效提高光催化效率。 3.项目应用前景和学术价值 通过***和纳米粒子互剪切的方法使天然二硫化钼与纳米氧化锌形成纳米***覆层结构复合物，不同带隙的两种材料使复合物的光催化范围得到大幅拓宽，可能能够得到在紫外光下及太阳光下皆具有优异催化性能的复合纳米材料，从而在处理污水污染等环境问题方面有巨大的应用前景。深入研究***覆层结构的物理制备方法机制，及这两种半导体材料界面处的异质结电场对光生电子和空穴的分离作用，更是在丰富和发展复合材料制备方法和性能研究方面具有重要的科学意义。 mide008参考文献 [1]Electrochemical Research; Findings from Hong Kong Polytechnic University in the Area of Electrochemical Research Reported (Ultrathin Sheets of MoS2/g-C3N4 Composite As a Good Hosting Material of Sulfur for Lithium-sulfur Batteries)[J]. Energy Weekly News,2019.455：389-395. [2]Biosensors; Data from National Institute of Standards and Technology Advance Knowledge in Biosensors (Quantum capacitance-limited MoS2 biosensors enable remote label-free enzyme measurements)[J]. Biotech Week,2019.15622－15632. [3]Freedy Keren M,Zhang Huairuo，Litwin Peter M,Bendersky Leonid A,Davydov Albert,McDonnell Stephen J. Thermal Stability of Titanium Contacts to MoS2.[J]. ACS applied materials & interfaces,2019. [4]Amani M，Lien D H，Kiriya D，et al． Near － unity photoluminescence quantum yield in MoS2［J ］．Science，2015，350( 6264) : 1065－1068. [5]Mouri S，Miyauchi Y H，Matsuda K，et al． Tunable photoluminescence of monolayer MoS2 via chemical doping ［J］． Nano Letters，2013，13( 12) : 5944－5948． [6]Liu W J，Lee B，Naylor C H，et al． Strong exciton－plasmon coupling in MoS2 coupled with plasmonic lattice－ nano letters ［J］． Nano Letters，2017，16: 1262－1269． [7]Kang Y M，Li B，Fang Z Y．Radiative energy transfer from MoS2 excitions to surface plasmons［J］． Journal of Optical，2017，19: 124009． [8]Lee M G，Y S J，Kim T H，et al． Large － area plasmon enhanced two － dimensional MoS2［J］．Nanoscale，2017，25( 13) : 14565－14574． [9]YAN Y，XIA B，GE X，et al． Ultrathin MoS2 nano plates with rich active sites as highly efficient catalyst for hydrogen evolution ［J］． ACS Applied Materials ＆Interfaces，2013，5( 24) : 12794-12798． [10]Ge L,Han CC Liu J，et al。Novel visible light -induced g-C3N4/Bi2Wo6 composite photocatalysts for efficient degradation of methyl orange[J].Applied Catalysis B:Environmental,2011,108-109:100-107 [11]GeL,Han CC,Xiao X L, et al. Synthesisandcharacterization of composite visible light active photocatalysts MoS2-g-C3N4 with enhanced hydrogen evolution activity [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38 (17): 6960 -6969. [12]Tan Y H, Yuk, Li J Z, etal. MoS2@ZnOnano-heterojunctions with enhanced photocatalysis and field emission properties [J]. Journal of Applied Dynamics, 2014, 116 (6):064305-1. [13]Liu H, L V T, Zhu CK, et al. Efficient synthesis of MoS2 nanoparticles modified TiO2 nanobelts with enhanced visible-light-driven photocatalytic activity [J]. Journal of Molecular Catalysis A-Chemical,2015,396（1）：136－142 4.研究基础及条件、指导教师 （1）研究基础 申请人***在硕士学习阶段一直参与纳米材料方面的应用基础研究，目前对纳米氧化锌，二硫化钼具备扎实的理论水平和实验技术基础。在读期间进行了大量的实验研究，具备较好工作基础。 申请人参与科研情况： （1）通过超声剥离法处理体相二硫化钼，以获得减薄的二硫化钼，并且尝试合成金纳米粒子修饰的二硫化钼材料，通过测试XRD来分析材料的物相及各相相对含量，测试Raman分析二硫化钼特征拉曼峰强度及位置来确认二硫化钼层数是否得到减薄及其薄层表面状态，并且通过等离子体共振效应来确认金纳米粒子是否成功负载于薄层二硫化钼；利用氨水对体相二硫化钼在不同温度或不同时间下进行保温处理，探究氨水是否能够对二硫化钼起到减薄作用。 （2）以二水乙酸锌为溶质，一定比例的水和乙醇作为溶剂制备片状纳米氧化锌，尝试将其与二硫化钼复合，通过XRD分析产物中两中材料的存在状态；在荧光测试中发现二硫化钼的存在可以调制纳米氧化锌的光致发光作用；在拉曼测试中发现复合物中二硫化钼的特征峰得到增强，氧化锌特征拉曼峰则被大幅削弱；将纳米氧化铝与二硫化钼复合，测试性能，复合物中二硫化钼拉曼强度同样得到增强。 （3）利用溶剂热法制备片状氧化锌，将其与天然体相二硫化钼通过物理方法在常温下复合，尝试获得薄层二硫化钼覆层于氧化锌表面的纳米复合物。结果发现随着二硫化钼含量的增加，复合物中ZnO在紫外区的光致发光性能被减弱，但当二硫化钼含量增至2.5%时，其又有所增强；并且ZnO在紫外区的荧光峰随着二硫化钼含量的增加其蓝移现象愈加明显。在二硫化钼含量仅仅为0.42%时，复合物中ZnO的拉曼活性就被大幅度削弱，MoS2的拉曼强度相比于其它含量时达到最强；并且二硫化钼的特征拉曼峰发生蓝移，峰间距变小。 参与项目： ****** 发表的论文：****** （2）工作条件 申请人所在单位具有与项目研究相关的显微分析室、物相分析室、光谱分析室、Xe光源光催化反应实验室等。主要大型研究设备及功能为： ■DX2000 型 X 射线衍射仪：可对样品进行物相分析。 ■CSPM-2000wet 型原子力显微镜：样品局部显微形貌分析。 ■WFX－IE2 型原子吸收光谱仪：样品化学成分分析、元素分析； ■UV-4501 型紫外吸收光谱仪：样品紫外吸收性能和化学成分的分析； ■日立F-7000荧光光谱仪：样品紫外-可见光之发光性能分析； ■Xe光源光催化反应暗室：测试样品光催化性能； ■显微拉曼光谱仪：表征产物拉曼活性； ■pixera150CLM 显微摄像系统：样品形貌观测； ■I30 型傅立叶红外光谱仪：两种材料界面结构和结合状态的分析。 （3）指导教师： |
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