mos2tio2纳米管阵列电极的制备及其光电催化性能的研究
摘 要摘 要光催化作为二十一世纪一种绿色化学技术，采用该方法处理环境中难降解的有机染料等污染物的研究已成为众多学者们研究的热点和重点。TiO2作为最具代表性的典型光催化剂，尤其是具有有序结构的TiO2纳米管阵列更由于其具有独特的有序阵列结构、高的比表面积以及更好的电荷传递性能而引起了人们的广泛关注。然而由于其禁带宽度是3.2 eV，使其只能被波长小于387 nm的紫外光激发，对占太阳光谱大部分的可见光利用率较低。此外，TiO2在光照下产生的光生电荷与空穴容易在晶体内部发生复合，导致其量子效率偏低。这两个问题限制了TiO2在实际中的应用。近年来，二维层状类石墨烯MoS2引起广大学者的广泛研究。MoS2单层结构是由六方晶系的单层二硫化钼组成，其具有三明治夹心层状结构的准二维晶体结构。因其具有良好的光学、热学、机械力学等特性，尤其是在室温下电子的迁移率较高，导电性能优异，使其成为可以应用在电子、传感器、催化、能源储存等方面的具有潜力的新型材料。针对以上问题，本文以TiO2纳米管阵列为基础，采用半导体MoS2对其进行改性，并对复合材料的形貌、结构以及光电化学特性进行系统的表征和讨论，以染料废水亚甲基蓝作为目标污染物，对复合电极的光电催化活性进行考察。结果表明，采用水热法反应6 h制备时间下的纳米管阵列电极即拥有高度有序的排列结构，又附着和适量的MoS2，呈现出较好的异质结特性。其无论在可见光还是模拟太阳光的条件下，光电催化降解染料废水的效率都比未经负载的TiO2纳米管阵列电极有显著的提高。关键词：MoS2/ TiO2，光电催化，亚甲基蓝(MB)，半导体Abstract 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外相关领域的研究进展 2
1.2.1 TiO2相关领域研究进展 2
1.2.2 TiO2纳米阵列管的研究进展 5
1.2.3 TiO2光催化活性方面的研究进展 6
1.2.4 MoS2国内外相关领域研究进展 9
1.2.5 国内外水热法研究进展 9
1.3 选题依据、目的、意义和内容 10
1.3.1 选题依据 10
1.3.2 研究目的和意义 11
1.3.3 研究内容 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
TiO2纳米阵列管的研究进展 5
1.2.3 TiO2光催化活性方面的研究进展 6
1.2.4 MoS2国内外相关领域研究进展 9
1.2.5 国内外水热法研究进展 9
1.3 选题依据、目的、意义和内容 10
1.3.1 选题依据 10
1.3.2 研究目的和意义 11
1.3.3 研究内容 11
第二章 实验部分 13
2.1 实验试剂与仪器 13
2.1.1 实验材料 13
2.1.2 实验试剂 13
2.1.3 实验设备 13
2.2 试验方法 14
2.2.1 TiO2纳米管电极的制备 14
2.2.2 MoS2/TiO2纳米片电极的制备 14
2.2.3 MoS2/ TiO2纳米管电极光电催化降解亚甲基蓝溶液（MB） 14
第三章 结果与讨论 16
3.1 TiO2纳米管阵列的形貌和结构表征 16
3.1.1 阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列电极的表征 16
3.2 MoS2/TiO2纳米管阵列的形貌及结构表征 17
3.2.1 不同制备时间对MoS2/TiO2纳米管阵列电极的影响 17
3.2.2 MoS2/TiO2纳米管阵列电极的X射线电子衍射（XRD测试） 19
3.3 MoS2/TiO2纳米管阵列的光学和电化学特性分析 20
3.3.1 不同制备时间条件对MoS2/TiO2纳米管阵列电极的影响 20
3.3.2 TiO2纳米管和MoS2/TiO2纳米管的对比分析 21
3.4 MoS2/TiO2纳米管阵列电极的光电催化降解实验 23
3.4.1 MoS2/TiO2纳米管阵列不同降解过程条件下降解效果的比较 23
3.4.2相同光照条件下TiO2阵列和MoS2/TiO2阵列降解效果比较 25
结 论 26
展 望 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1 研究背景
由于现在已经进入工业化飞速发展阶段，随之带来的环境恶化、资源短缺等问题也越来越严重，因此受到人们的关注。尤其是一些发展中国家，水体污染、固体废弃物污染、空气污染和噪声污染的环境污染情况变得越来越不容易治理。因此，开发新型的除污方法是重中之重。TiO2光催化技术便被人们所开发和认知。在过去的40余年里，国内外许多科技工作者对基于TiO2的光催化技术展开了大量研究，在污水处理、饮用水净化、大气污染物控制、室内空气净化、催化水分解制备氢能源、疾病治疗医学等诸多领域被利用。
光催化技术发展基本成熟，它可以适用于很多种类的污染物，适用范围比较广。在处理环境恶化治理方面，光催化技术在实际应用中越来越多的被利用，它有很多优点，反应条件，反应设备都对光催化反应没有过多的限制。对于反应结束二次污染问题，光催化技术可以说具备完全的优势，此技术可以达到二次污染小甚至没有二次污染[1]。此外，光反应条件很容易被操作和控制，虽然有些污染物浓度很低，但是光催化技术也可以很好地达到去污效果，反应过程还可以达到杀菌消毒的作用。但是，人工制造光源会给光催化反应带来非常高的成本，因此科学工作者尝试实现以太阳光为光源，运行成本可以大大下降。光催化技术是一种非常有前途的污染治理技术，所以近些年光催化技术受到人们的重视[2]。
TiO2为白色粉末物质，其化学性能也非常稳定，价格便宜也是其优点[3]。所以，在实际应用领域，TiO2被认为首选的光催化剂。虽然TiO2光催化活性高，它吸收紫外光的性能比较强，禁带和导带之间能隙大，光生电子的还原性和氧化性都很强，但是这仅仅是对于吸收紫外光的情况下，对于太阳光照射TiO2，其还不具备很好的催化效果，这也是他的缺点。紫外光照射二氧化钛达到去污效果对于人们来讲价格昂贵，几乎不具备使用功能。因此，为了解决此难题，降低成本，达到使用太阳光就可以起到去污效果，科学工作者为了给TiO2改性，把特殊物质附着在TiO2表面，使其具备在可见光照下能够激发电子产生电荷，达到最终目的[4]。例如掺N、附着MoS2等方法。
阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列电极拥有高度有序的排列结构，粉末状态下的TiO2没有很强的吸附性能，电荷的传递性能和速度也很慢，TiO2纳米管阵列电极比表面积会增大，而且在实验和应用结束后还可以回收再利用，这几方面粉末状的TiO2不及TiO2纳米管阵列电极。如果想要在钛片表面很好的附着氧化物，那么首选的方法自然是阳极氧化法。采用该方法制备的电极具有独特结构特征的TiO2纳米管的耐光腐蚀性强。
MoS2是众所周知到固体润滑剂，它呈蓝灰色至黑色，并且有金属光泽，给人们的手感是滑腻的，由于它具备良好的化学稳定性和热稳定性[5]。MoS2在很多领域被应用。制备MoS2的方法很多，其中水热法是比较普遍的，因为其方法操作简单而且制备出来的产物精度、细度和规整的形态有助于进行下一步的实验科学研究。因为二硫化钼内在结构是靠范德华力束缚的，但是这种力很小，不能够保证层与层之间完全保持相对固定的状态。因此他们之间特别容易产生滑动，这就是它常用于润滑的原因。目前研究学者在二硫化钼掺杂二氧化钛材料方面已经做出了很多努力，并且成效显著。改性后的二氧化钛纳米管材料对于可见光的利用性上在消除空气和水中的环境污染效果很好。
1.2 国内外相关领域的研究进展
1.2.1 TiO2相关领域研究进展
（1）TiO2光催化活性与结构
锐钛矿（anatase）、金红石（rutile）和板钛矿（brookite）为我们所熟知的TiO2三种结晶形态[6]。这三种晶型的活性具有很大的差别，其中锐钛矿的活性最强，金红石的活性其次，而板钛矿甚至可以说不具备光催化活性。锐钛矿的禁带宽度为3.2 eV，金红石的禁带宽度为3.0 eV[7]，锐钛矿拥有比较高的禁带宽度，因此，锐钛矿拥有比较高的催化氧化能力。锐钛矿的表面吸附能力很强，这一点也会给其具备较强的光催化活性提供充分的条件。锐钛矿在结晶的过程中，形成的晶体比表面积很大，但是结晶的体积很小，这一点对光催化反应也比较有利。综上所述，影响锐钛矿活性比较强
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外相关领域的研究进展 2
1.2.1 TiO2相关领域研究进展 2
1.2.2 TiO2纳米阵列管的研究进展 5
1.2.3 TiO2光催化活性方面的研究进展 6
1.2.4 MoS2国内外相关领域研究进展 9
1.2.5 国内外水热法研究进展 9
1.3 选题依据、目的、意义和内容 10
1.3.1 选题依据 10
1.3.2 研究目的和意义 11
1.3.3 研究内容 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
TiO2纳米阵列管的研究进展 5
1.2.3 TiO2光催化活性方面的研究进展 6
1.2.4 MoS2国内外相关领域研究进展 9
1.2.5 国内外水热法研究进展 9
1.3 选题依据、目的、意义和内容 10
1.3.1 选题依据 10
1.3.2 研究目的和意义 11
1.3.3 研究内容 11
第二章 实验部分 13
2.1 实验试剂与仪器 13
2.1.1 实验材料 13
2.1.2 实验试剂 13
2.1.3 实验设备 13
2.2 试验方法 14
2.2.1 TiO2纳米管电极的制备 14
2.2.2 MoS2/TiO2纳米片电极的制备 14
2.2.3 MoS2/ TiO2纳米管电极光电催化降解亚甲基蓝溶液（MB） 14
第三章 结果与讨论 16
3.1 TiO2纳米管阵列的形貌和结构表征 16
3.1.1 阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列电极的表征 16
3.2 MoS2/TiO2纳米管阵列的形貌及结构表征 17
3.2.1 不同制备时间对MoS2/TiO2纳米管阵列电极的影响 17
3.2.2 MoS2/TiO2纳米管阵列电极的X射线电子衍射（XRD测试） 19
3.3 MoS2/TiO2纳米管阵列的光学和电化学特性分析 20
3.3.1 不同制备时间条件对MoS2/TiO2纳米管阵列电极的影响 20
3.3.2 TiO2纳米管和MoS2/TiO2纳米管的对比分析 21
3.4 MoS2/TiO2纳米管阵列电极的光电催化降解实验 23
3.4.1 MoS2/TiO2纳米管阵列不同降解过程条件下降解效果的比较 23
3.4.2相同光照条件下TiO2阵列和MoS2/TiO2阵列降解效果比较 25
结 论 26
展 望 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1 研究背景
由于现在已经进入工业化飞速发展阶段，随之带来的环境恶化、资源短缺等问题也越来越严重，因此受到人们的关注。尤其是一些发展中国家，水体污染、固体废弃物污染、空气污染和噪声污染的环境污染情况变得越来越不容易治理。因此，开发新型的除污方法是重中之重。TiO2光催化技术便被人们所开发和认知。在过去的40余年里，国内外许多科技工作者对基于TiO2的光催化技术展开了大量研究，在污水处理、饮用水净化、大气污染物控制、室内空气净化、催化水分解制备氢能源、疾病治疗医学等诸多领域被利用。
光催化技术发展基本成熟，它可以适用于很多种类的污染物，适用范围比较广。在处理环境恶化治理方面，光催化技术在实际应用中越来越多的被利用，它有很多优点，反应条件，反应设备都对光催化反应没有过多的限制。对于反应结束二次污染问题，光催化技术可以说具备完全的优势，此技术可以达到二次污染小甚至没有二次污染[1]。此外，光反应条件很容易被操作和控制，虽然有些污染物浓度很低，但是光催化技术也可以很好地达到去污效果，反应过程还可以达到杀菌消毒的作用。但是，人工制造光源会给光催化反应带来非常高的成本，因此科学工作者尝试实现以太阳光为光源，运行成本可以大大下降。光催化技术是一种非常有前途的污染治理技术，所以近些年光催化技术受到人们的重视[2]。
TiO2为白色粉末物质，其化学性能也非常稳定，价格便宜也是其优点[3]。所以，在实际应用领域，TiO2被认为首选的光催化剂。虽然TiO2光催化活性高，它吸收紫外光的性能比较强，禁带和导带之间能隙大，光生电子的还原性和氧化性都很强，但是这仅仅是对于吸收紫外光的情况下，对于太阳光照射TiO2，其还不具备很好的催化效果，这也是他的缺点。紫外光照射二氧化钛达到去污效果对于人们来讲价格昂贵，几乎不具备使用功能。因此，为了解决此难题，降低成本，达到使用太阳光就可以起到去污效果，科学工作者为了给TiO2改性，把特殊物质附着在TiO2表面，使其具备在可见光照下能够激发电子产生电荷，达到最终目的[4]。例如掺N、附着MoS2等方法。
阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列电极拥有高度有序的排列结构，粉末状态下的TiO2没有很强的吸附性能，电荷的传递性能和速度也很慢，TiO2纳米管阵列电极比表面积会增大，而且在实验和应用结束后还可以回收再利用，这几方面粉末状的TiO2不及TiO2纳米管阵列电极。如果想要在钛片表面很好的附着氧化物，那么首选的方法自然是阳极氧化法。采用该方法制备的电极具有独特结构特征的TiO2纳米管的耐光腐蚀性强。
MoS2是众所周知到固体润滑剂，它呈蓝灰色至黑色，并且有金属光泽，给人们的手感是滑腻的，由于它具备良好的化学稳定性和热稳定性[5]。MoS2在很多领域被应用。制备MoS2的方法很多，其中水热法是比较普遍的，因为其方法操作简单而且制备出来的产物精度、细度和规整的形态有助于进行下一步的实验科学研究。因为二硫化钼内在结构是靠范德华力束缚的，但是这种力很小，不能够保证层与层之间完全保持相对固定的状态。因此他们之间特别容易产生滑动，这就是它常用于润滑的原因。目前研究学者在二硫化钼掺杂二氧化钛材料方面已经做出了很多努力，并且成效显著。改性后的二氧化钛纳米管材料对于可见光的利用性上在消除空气和水中的环境污染效果很好。
1.2 国内外相关领域的研究进展
1.2.1 TiO2相关领域研究进展
（1）TiO2光催化活性与结构
锐钛矿（anatase）、金红石（rutile）和板钛矿（brookite）为我们所熟知的TiO2三种结晶形态[6]。这三种晶型的活性具有很大的差别，其中锐钛矿的活性最强，金红石的活性其次，而板钛矿甚至可以说不具备光催化活性。锐钛矿的禁带宽度为3.2 eV，金红石的禁带宽度为3.0 eV[7]，锐钛矿拥有比较高的禁带宽度，因此，锐钛矿拥有比较高的催化氧化能力。锐钛矿的表面吸附能力很强，这一点也会给其具备较强的光催化活性提供充分的条件。锐钛矿在结晶的过程中，形成的晶体比表面积很大，但是结晶的体积很小，这一点对光催化反应也比较有利。综上所述，影响锐钛矿活性比较强
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