[00138406]二维单分子层SnS2/Ag光催化材料的制备及光生电荷行为研究

1. 项目来源 此课题来源于国家自然科学基金项目：二维单分子层SnS2/Ag光催化材料的制备及光生电荷行为研究（21363006）。 2. 研究目的和意义 随着科技的高速发展和人类文明的进步,环境污染、能源短缺问题引起全球范围内的广泛重视。半导体光催化材料在解决能源和环境问题方面具有巨大的潜力。具有单分子层厚度的二维（2-D）半导体材料,由于其高度的各向异性所表现的量子限域效应、表面效应及极短的光生载流子扩散路径,使得这类材料具有很高的光催化活性。本项目以地球上的储量较为丰富SnS2为研究对象,通过插层-剥离法制备单分子层SnS2,此方法延伸制备超薄WO3纳米片光催化材料。在二硫化锡纳米片表面通过离子交换法沉积Ag2S,形成Ag2S/SnS2复合光催化剂。研究2-D单分子层SnS2的形成机理、纳米Ag2S在单层SnS2表面的晶体生长形态,建立设计Ag2S/SnS2光催化材料的制备理论和方法;通过化学气相沉积法（CVD）合成具有高反应活性位点的和高可见光俘获能力的SnS2纳米片阵列光阳极。探讨材料表面光生电荷分离与复合、传输等动力学行为,深入揭示能带理论、掺杂对光生电荷行为的影响机制。本项目的开展,将为构建具有可见光吸收、高催化活性光催化剂提供一条崭新的途径,也为深化认识2-D半导体表面的光催化作用机理提供重要的参考。 3. 主要论点与论据 （1）通过溶剂热法制备了块体SnS2/正丙胺杂化物前驱体,然后用3 mol/L 的稀硝酸超声辅助剥离前驱体制得了SnS2纳米片。制备的SnS2样品呈六边形二维片状结构,且横向尺寸大约为0.6 μm,光电性能良好,具有较好的光催化活性。（2）通过液相剥离法制备了g-C3N4纳米片,再用一种简单、方便的离子交换法制备g-C3N4/SnS2异质结。g-C3N4/SnS2异质结的构建提高了光电流和光催化活性,归因于异质结的构建有利于光致电荷的有效分离。（3） Ag2S/SnS2异质结的构建,通过原位离子交换法将Ag2S与SnS2纳米片进行复合制备。Ag2S颗粒分散沉积在SnS2纳米片上,Ag2S纳米颗粒与SnS2纳米片的结合明显地增强了它们的光电性能与光催化性能,尤其是,Ag2S（8wt%）/SnS2复合物,光生电密度最强（13.99 μA/cm2,0.7 V）,光催化活性最高,主要是因为光生载流子的分离效率提高。（4）通过插层-剥离法得到厚度仅为3.5nm,面积为50nm×100nm的超薄WO3 2H2O纳米片,通过XRD分析得知其结构为正交相的WO3 2H2O。HRTEM分析可知得到的WO3 2H2O纳米片结晶性能良好。AFM可以看出其厚度为3.5nm,具有超薄结构。通过光电流-电压图可以看出WO3 2H2O纳米片与WO3 2H2O块体粉末相比,产生更大的光电流,表明超薄WO3 2H2O纳米片具有更好的电子传输性能。（5）以六氯化钨和无水乙醇为原料,无需预制晶种层,采用醇热法直接在FTO透明导电基底上制备出了形貌均匀,纯相的三氧化钨纳米线阵列,随后通过添加草酸作为结构导向剂,同样以六氯化钨和无水乙醇为原料,草酸为添加剂,无需预制晶种层,采用醇热法直接在FTO透明导电基底上制备出了立方相三氧化钨纳米片阵列制备的纳米片阵列具有高的光吸收率,更短的载流子扩散距离,大的光电流。 4. 创见与创新 （1）通过液相插层剥离法制备SnS2纳米片,证实超薄层状结构产生的量子限制效应,超薄层状结构大大地减少了光生电荷传导路径的距离,以及更多的反应活性位点是提高光催化性能的主要因素。 （2） 二维材料异质结的构建如 g-C3N4/SnS2 、 Ag2S/SnS2 除了具备二维材料的性能外,还可以降低了光生电子-空穴对的表面复合,提高其光催化性能。