二硫化钨在光催化的应用前景

霍伟

摘要：光催化技术作为一种高效、安全的环境友好型环境净化技术，对室内空气质量的改善已得到国际学术界的认可。但是在该领域还存在各种局限性：光腐蚀、光催化剂本身的吸光率和评价中使用光源的波长与强度、光催化反应中电子空穴再结合的防止、氧化反应开始后的后续反应难以控制、比表面积不足等。

关键词：光催化、光催化剂、二硫化钨、纳米材料

光催化的原理是基于光催化剂暴露紫外线直射下具有氧化还原能的力从而净化污染物。

1967年藤岛昭教授在一次试验中发现光催化反应，光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术，在光的照射下可将有机污物彻底降解为二氧化碳与水，同时光催化材料自身无损耗。光催化剂的种类很多，比如TiO2、ZnO、SnO、ZrO、CdS等多种氧化物硫化物半导体。光催化的原理：光催化的原理是利用光来激发二氧化钛等化合物半导体，利用它们产生的电子和空穴来参加氧化—还原反应。 当能量大于或等于能隙的光照射到半导体纳米粒子上时，其价带中的电子将被激发跃迁到导带，在价带上留下相对稳定的空穴，从而形成电子—空穴对。由于纳米材料中存在大量的缺陷和悬键，这些缺陷和悬键能俘获电子或空穴并阻止电子和空穴的重新复合。这些被俘获的电子和空穴分别扩散到微粒的表面，从而产生了强烈的氧化还原势。催化原理是基于光催化剂在光照的条件下具有的氧化还原能力，从而可以达到净化污染物、物质合成和转化等目的。通常情况下，光催化氧化反应以半导体为催化剂，以光为能量，将有机物降解为二氧化碳和水。限制光催化的原因：第一，光催化剂分解有机物没有选择性，所以，负载催化剂的材料本身也会遭到分解，一旦催化粒子脱落，材料就失效了;第二，催化剂粒子的团聚现象比较严重，导致比表面积太小，催化效果太弱，而由此又导致氧化反应不彻底，反而容易产生其他有害物质。第三，光催化反应对光源的选择性很强，仅能在紫外光作用下反应，这在一定程度上限制了催化效率，即光腐蚀。石墨烯抗光催化：香港理工大学柴扬课题组选择CdS这种高性能的催化剂作为基体材料，在.上面转移三层石墨烯作为覆盖层，实现了8倍光催化寿命的提升，同时也让光催化效率提高了2.5倍。石墨烯层不光具有高的光透过率，能够辅助光吸收的特性，并且可以促进界面载流子转移，减少载流子重组。借助石墨烯强的空间位阻效应，石墨烯还能隔绝外界的水与氧，，他们还通过理论计算证明哪怕石墨烯晶格缺失了8个原子，其阻碍能最低也有0.32 eV，水和氧根本无法透过这层薄膜，三层石墨烯能极好的抵抗光腐蚀。对于二硫化钨与石墨，二硫化钨可以替代石墨的几乎所有的应用领域，且用途更广。钼和钨是同族化学元素，而且，因为钨比钼质量更重所以化学性质更稳定。球形层状纳米二硫化钨的制备：在室温下，量取钨酸钠（5mM）.硫代乙酸胺（15mM）溶于30ml蒸馏水中，置于磁力搅拌器上充分搅拌直至完全溶解。形成透明的溶液：  然后将添加剂硅酸钠Na2SiO39H2O （0.3g） 然后持续不断搅拌，加入上述溶液之中直至完全溶解：在连续磁力搅拌的条件下加入NH3H2O调节PH值达到6前后：将上述混合溶液转移至50毫升的聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，将高压釜密封，然后将其放在数字恒温控箱里维持200摄氏度反应24小时; 最后把产物自然冷却到室温，用一定速度进行高心分离，用去高子水与无水乙醇洗涤黑色沉淀数次; 将得到的产物在80摄氏度真空干燥箱里干燥10小时得到二硫化钨纳米球。二硫化钨覆盖CdS：采用丙酮、异丙醇、蒸馏水对掺氟氧化锡（FTO）涂层玻璃基材进行超声清洗，再用氮气吹干。随后，在恒流密度为-的双电极系统电池（FTO玻璃为工作电极，Pt箔为反电极）中，在室温条件下将CdS膜电沉积到FTO玻璃基板上0.5 mA cm-2，时间为3.5 分钟。电解质为含有0.01 M Cd（NO3）2和0.02M S 的DMSO溶液。电沉积后，将制备好的CdS电极浸在丙酮中三十秒，然后用氮气吹干。采用逐层转移的方法获得双层、三层二硫化钨。随后，将涂覆pmma的二硫化钨转移到CdS电极表面，然后在65℃下退火CdS/二硫化钨光催化剂，以增加CdS与二硫化钨之间的附着力。最后，用丙酮除去二硫化钨表面的聚甲基丙烯酸甲酯。指甲油是用于固定和确定二硫化钨覆盖CdS光催化剂的有效面积。球形层状二硫化钨包裹TiO2 后能够控制比表面积和有效抵抗光腐蚀。

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