石墨烯是由sp2杂化的苯六元环组成的二维(2D)周期性蜂窝状晶格结构，是目前最理想的二维纳米材料。在室温下石墨烯具有在优异的电荷载体、优良的热导率、高比表面积和良好的化学稳定性等，能促进ZnS-MoS2固溶体光生电子-空穴的分离、转移和迁移，抑制光载流子的复合；此外，石墨烯能吸附大量的污染物，为光催化反应提供更多更理想的反应位点，且能够抑制ZnS-MoS2纳米颗粒团聚，使其均匀的生长在石墨烯薄膜上，因此，结合固溶体的优点和石墨烯优异的性能，我们尝试制备了一种新型的rGO/ZnS-MoS2三元固溶体促进电荷分离以及增强稳定性。
技术实现要素：
ZnS-MoS2纳米颗粒较大且接触紧密，容易团聚，比表面积较小，提供的反应活性位点较少，容纳的污染物分子有限，进而造成光催化效率较低,本发明的目的在于针对现有的不足，提出一步溶剂热法制备具有可见光催化活性的rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂，rGO的引入一方面可作为电子载体促进光生电子-空穴的分离、转移和迁移，从而抑制光载流子的复合率；另一方面石墨烯的加入能抑制ZnS-MoS2纳米颗粒聚合，使ZnS-MoS2纳米颗粒能够均匀地生长在石墨烯薄膜上，为光催化反应提供更多更理想的反应位点。此外，这种 rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂的禁带宽度较窄,且具有较大的比表面积，在可见光下有较强的光吸收和光催化能力，提高了对光的利用效率，并且具有较高的稳定性和再生能力。
本发明是通过以下技术方案实现的。一种具有可见光催化活性的石墨烯/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂的方法,其步骤如下：
一种具有可见光催化活性的石墨烯/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂的方法，其特征步骤如下：
1)首先用改良Hummers法制备出氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯分散到有机溶剂中超声至均匀溶液，超声时间30-60min；
2)以无机锌盐、无机钼盐和硫源作为原料，将它们溶解到有机溶液中，并加入提前制备好的石墨烯溶液；
3)将混合溶液转移到反应釜中，在180-220℃条件下反应24小时；
4)反应结束后，将反应物用去离子水和无水乙醇分别洗涤、离心数次，所得产物在60-100 ℃下真空干燥6-24小时，即得具有可见光催化活性的rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
所述无机锌盐为醋酸锌、氯化锌、硝酸锌和硫酸锌中的一种或几种。
所述无机钼盐为钼酸钠、钼酸铵和磷钼酸中的一种或几种。
所述硫源为硫代乙酰胺、硫脲和Na2S中的一种或几种。
所述有机溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、乙二醇、丙二醇或丁二醇中的一种或几种。
所述无机锌盐与无机钼盐的摩尔比为20:1～40:1。
所述无机锌盐与硫源的摩尔比为1:2～1:8。
所述石墨烯与ZnS-MoS2的质量百分比为5％～14％。
本发明制备的石墨烯/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂，处理废水在可见光照射下进行。
本发明制备rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂的优点：
(1)本发明制备方法制得的rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂具有独特的表面结构和形貌。
(2)本发明的一步溶剂热法制备一种具有可见光催化活性的石墨烯/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂较为蓬松具有更大的比表面积，较窄且可连续调节的禁带宽度，能有效地使光生电子-空穴分离、迁移，在可见光下有较强的光吸收和光催化能力，并具有着较高的稳定性和再生性能，可见光照射下可以高效处理实际废水，去除率可达到74.05％。
附图说明
图1为本发明的实施例1所制备的rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂(a)和单纯的 ZnS-MoS2对比样品(b)的XRD图谱，由图可知，rGO/ZnS-MoS2和ZnS-MoS2的X射线衍射数据相符合，表明石墨烯的负载不影响ZnS-MoS2的晶相，没有出现石墨烯的衍射峰表明由于硫化锌/硫化钼对石墨烯片层的修饰，打乱了石墨烯的有序排列结构。
图2为本发明的实施例1所制备的rGO/ZnS-MoS2SEM图，由图可知ZnS-MoS2纳米粒子能均匀地生长在石墨烯薄膜上并形成了的形貌，实现石墨烯与ZnS-MoS2纳米粒子之间的有效键合。
图3为本发明的实施例1所制备的rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂(a)和纯ZnS-MoS2样品(b)的氮气吸附-脱附等温线，由图可知，rGO/ZnS-MoS2和纯ZnS-MoS2的氮气吸附-脱附等温线都属IUPAC分类中的IV型，H3滞后环，但rGO/ZnS-MoS2固溶体光催化剂的比表面积接近31.6m2/g，纯ZnS-MoS2的比表面积为18.7m2/g，rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂的比表面积远大于纯ZnS-MoS2的比表面积。
图4为本发明的实施例1所制备的rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂(a)和纯ZnS-MoS2 (b)光降解邻硝基苯酚曲线，由图可知，rGO/ZnS-MoS2固溶体光催化剂的催化活性高于纯 ZnS-MoS2。
图5为本发明的实施例1所制备的rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂在可见光照射下处理实际药物废水的曲线，由图可知，rGO/ZnS-MoS2固溶体光催化剂可以高效处理实际药物废水，在可见光下实际药物废水的COD去除率高达74.05％。
具体实施方式
以下实施旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1
(1)以石墨粉为原料，采用Hummers方法合成氧化石墨烯，然后取0.06787g氧化石墨烯到10mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，超声30min备用。
(2)将6.0mmol醋酸锌，0.2mmol钼酸钠，13.3mmol硫代乙酰胺，加入到40mL N,N- 二甲基甲酰胺溶液中并搅拌至溶液透明后加入上述石墨烯溶液。
(3)将溶液转移到100mL反应釜中，210℃，反应时间为24小时。
(4)将反应后的样品离心并用去离子水和乙醇洗涤数次，所得样品在60℃下真空干燥 12小时后研磨。所得产物为rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
实施例2
(1)以石墨粉为原料，采用Hummers方法合成氧化石墨烯，然后称取0.04936g氧化石墨到10mL乙二醇溶液中，超声40min备用。
(2)将6.0mmol氯化锌，0.2mmol钼酸钠，13.3mmol硫代乙酰胺，加入到40mL乙二醇溶液中并搅拌至溶液透明后加入上述石墨烯溶液。
(3)将溶液转移到100mL反应釜中，200℃，反应时间为24小时。
(4)将反应后的样品离心并用去离子水和乙醇洗涤数次，所得样品在60℃下真空干燥 12小时后研磨。所得产物为rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
实施例3
(1)以石墨粉为原料，采用Hummers方法合成氧化石墨烯，然后称0.06787g氧化石墨烯分散到10mL乙醇溶液中，超声60min备用。
(2)将5.0mmol硝酸锌，0.25mmol钼酸钠，11.5mmol硫化钠，加入到40mL乙醇溶液中并搅拌至溶液透明后加入上述石墨烯溶液。
(3)将溶液转移到100mL反应釜中，220℃，反应时间为24小时。
(4)将反应后的样品离心并用去离子水和乙醇洗涤数次，所得样品在60℃下真空干燥 12小时后研磨。所得产物为rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
实施例4
(1)以石墨粉为原料，采用Hummers方法合成氧化石墨烯，然后取0.04936g氧化石墨烯分散到10mL丁醇溶液中，超声30min备用。
(2)将5.0mmol硝酸锌，0.25mmol磷酸钠，11.5mmol硫化钠，加入到40mL丁醇溶液中并搅拌至溶液透明后加入上述石墨烯溶液。
(3)将溶液转移到100mL反应釜中，200℃，反应时间为24小时。
(4)将反应后的样品离心并用去离子水和乙醇洗涤数次，所得样品在60℃下真空干燥 12小时后研磨。所得产物为rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
实施例5
(1)以石墨粉为原料，采用Hummers方法合成氧化石墨烯，然后称取0.04936g氧化石墨烯分散到10mL丁醇溶液中，超声40min备用。
(2)将6.0mmol硝酸锌，0.2mmol钼酸钠，13.3mmol硫脲，加入到40mL丁醇溶液中并搅拌至溶液透明后加入上述石墨烯溶液。
(3)将溶液转移到100mL反应釜中，220℃，反应时间为24小时。
(4)将反应后的样品离心并用去离子水和乙醇洗涤数次，所得样品在100℃下真空干燥 8小时后研磨。所得产物为rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
实施例6
(1)以石墨粉为原料，采用Hummers方法合成氧化石墨烯，然后取0.05553g氧化石墨烯分散到10mL丁醇溶液中，超声50min备用。
(2)将5.0mmol醋酸锌，0.14mmol钼酸钠，11mmol硫化钠，加入到40mL丁醇溶液中并搅拌至溶液透明后加入上述石墨烯溶液。
(3)将溶液转移到100mL反应釜中，210℃，反应时间为24小时。
(4)将反应后的样品离心并用去离子水和乙醇洗涤数次，所得样品在100℃下真空干燥 8小时后研磨。所得产物为rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
实施例7
(1)以石墨粉为原料，采用Hummers方法合成氧化石墨烯，然后称取0.05553g氧化石墨烯分散到10mLN，N-二甲基甲酰胺溶液中，超声30min备用。
(2)将6.0mmol醋酸锌，0.2mmol磷酸钼，13.3mmol硫化钠，加入到40mL N，N-二甲基甲酰胺溶液中并搅拌至溶液透明后加入上述石墨烯溶液。
(3)将溶液转移到100mL反应釜中，200℃，反应时间为24小时。
(4)将反应后的样品离心并用去离子水和乙醇洗涤数次，所得样品在100℃下真空干燥 8小时后研磨。所得产物为rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
实施例8
(1)以石墨粉为原料，采用Hummers方法合成氧化石墨烯，然后取0.04936g氧化石墨烯分散到10mLN，N-二甲基乙酰胺溶液中，超声40min备用。
(2)将5.0mmol硫酸锌，0.25mmol磷酸钼，11.5mmol硫脲，加入到40mL N，N-二甲基乙酰胺溶液中并搅拌至溶液透明后加入上述石墨烯溶液。
(3)将溶液转移到100mL反应釜中，210℃，反应时间为24小时。
(4)将反应后的样品离心并用去离子水和乙醇洗涤数次，所得样品在100℃下真空干燥 8小时后研磨。所得产物为rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
实施例9
(1)以石墨粉为原料，采用Hummers方法合成氧化石墨烯，然后取0.05553g氧化石墨烯分散到10mL丙二醇溶液中，超声30min备用。
(2)将6.0mmol氯化锌，0.2mmol钼酸铵，13.3mmol硫脲，加入到40mL丙二醇溶液中并搅拌至溶液透明后加入上述石墨烯溶液。
(3)将溶液转移到100mL反应釜中，200℃，反应时间为24小时。
(4)将反应后的样品离心并用去离子水和乙醇洗涤数次，所得样品在100℃下真空干燥 8小时后研磨。所得产物为rGO/ZnS-MoS2纳米固溶体光催化剂。
不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
再多了解一些
导读：本文总结了二维材料/宽禁带材料异质结构的制备方法和能带对齐理论；介绍了铁电极化场和压电应力效应在二维/铁电异质结构中的应用；列举了二维/宽禁带半导体异质结构在探测器、场效应晶体管、光催化和气体传感器领域的研究进展；最后，总结了二维/宽禁带材料异质结构目前存在的问题，并展望了其未来发展方向。
综述背景
综述简介
北京邮电大学吴真平副教授，香港理工大学郝建华教授等以“Hybrid heterostructures and devices based on two-dimensional layers and wide bandgap materials”为题在《Materials Today Nano》发表了邀请综述文章。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842020300213
该综述首先介绍了2D/WBG材料异质结构的制备方法，并详细探讨了2D/WBG异质结构的能带对齐理论。接下来，文章系统回顾了铁电极化场和压电应力效应在2D/铁电异质结构中的应用，并列举了2D/宽禁带半导体异质结构在探测器、场效应晶体管、光催化和气体传感器领域的研究进展，最后探讨了目前该领域的研究进展和存在研究难点，并对未来的研究方向提出了见解。
图1、常见二维材料、宽禁带半导体和铁电体的能带示意图。
图2、（a）BP-ZnO异质结示意图。（b）化学气相沉积法制备MoSe2工艺示意图。（c）GaN衬底和第3相MoSe2薄膜的照片。（d）单层MoS2/单层WSe2/GaN（上）和少层MoS2/GaN（下）的AFM图像。（e）蓝宝石衬底上生长的晶圆级MoS2薄膜的光学图像和横截面TEM图像。（f）MoS2/GaN（0001）的横截面TEM图像。
图3、（a）2D/WBG-vdW异质结构的原子结构和各种能带排列示意图：（b）欧姆接触，（c）肖特基接触，（d）I型跨骑，（e）II型交错，（f）III型错层。
图4、用PBE（左下区域）和HSE06（右上区域）计算的vdW异质结构能带排列表。绿色、红色和蓝色分别表示I型、II型和III型异质结构类型。两个彩色方框表示两种不同类型的机会相等。
图5、基于二维材料和铁电材料的异质结构。（a）石墨烯的输运性质。插图显示了石墨烯/PZT异质结构的示意图。（b）石墨烯在空气和真空中的输运特性。（c）基于MoS2和BTO的FTJ的I-V特性。（d）随电压变化的电阻开/关比。
图6、基于二维材料和压电PMN-PT的异质结构。（a）石墨烯/MoS2/PMN-PT异质结构示意图。（b）压电双轴应变在0 0.2%范围内调谐的MoS2的PL谱。（c）WSe2/PMN-PT异质结构示意图。（d）在PMN-PT上施加电场从 20-20kv/cm调谐的SPE的微PL谱。（e）PMN-PT上 20和20kv/cm电场调谐的SPE的微PL光谱。
图7、光电探测器。石墨烯/Ga2O3肖特基结光电探测器的结构图（a），在不同光强下的光响应（b）和光谱选择特性（c）。自组装石墨烯/GaN异质结探测器示意图（d），在360 nm光照条件下测量的I-V曲线（e）和光谱选择特性（f）。WS2/GaN光电探测器示意图（g）,器件的响应度和比探测率与光强度的函数关系（h）和紫外成像结果（i）。
图8、场效应晶体管。Ga2O3/WSe2结场效应晶体管示意图（a），器件的传输和跨导特性（b），器件的击穿电压可达144 V（c）。垂直Ga2O3/石墨烯势垒晶体管开关器件示意图（d），器件的关态击穿电压（e），器件击穿电场与其他报道的功率器件的比较（f）。E/D双型石墨烯/Ga2O3 MESFET示意图（g），直接耦合场效应晶体管逻辑逆变器（h），逻辑逆变器的电压传输特性（i）。
图9、气体传感器。MoS2/GaN气体传感器示意图（a）,反向偏压下氢气氛围下器件的能带图变化（b），不同温度下器件对氢气浓度测试的灵敏度（c）。rGO/AlGaN/GaN气体传感器原理图（d），在正偏压条件下，器件在NO2、NH3和SO2气氛中的能带图变化示意图（e），传感器气体浓度依赖响应曲线（f）。
图10、杂化异质结构中二维材料的形态。（a）GaN上MoSe2层的SEM图像。（b）GaN外延晶体上MoS2单层三角形的扫描电镜。GaN/AlGaN/GaN上生长的MoS2的TEM图像亮场（c），暗场（d），和选区电子衍射（SAED）图（e）。
结论与展望
综上，本综述系统讨论了2D/WBG异质结构的制备、能带结构设计和相关应用。虽然2D/WBG混合vdW异质结构在电子、光电子器件领域已经展现出优异的性能，但仍存在许多挑战和机遇。
1、目前研究的2D材料和WBG材料种类仍很少，以石墨烯为主，仍需要 探索 其他2D材料在本领域的应用。
2、铁电、压电材料目前仍只用于提供极化和应力来调控2D材料的物理特性，其耦合效应尚未完全理解。
3、制备获得高质量晶圆尺寸的2D/WBG混合异质结构是实现器件产业化的最大技术瓶颈。
欢迎分享，转载请注明来源：夏雨云
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）