基本信息
- 项目名称：
- 六角形二硫化锡纳米片：一种新型的可见光催化剂
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 以SnCl4•5H2O和CS2为前驱物，利用一种改进的溶剂热方法成功合成了六角形SnS2单晶纳米片，所得SnS2纳米晶为具有六角片状形貌的单晶六方结构，其直径为20-70nm、厚度为7-10nm。实验数据表明，所得SnS2纳米片对罗丹明B的水溶液为模拟染料废水具有很好的光催化降解能力，在太阳光照射70分钟后的脱色率可达97.7%。
- 详细介绍：
- 在现代社会的能源危机和环境污染问题面前，可见光催化剂有望通过利用太阳能分解水制氢和净化水与空气而有效解决这两个问题。尽管人们对二氧化钛已进行了很长时间的研究，但由于其能带隙较宽（锐钛矿：3.2ev；金红石：3.0ev），因此其只能吸收占太阳光很少部分的紫外光，限制了其在实际中的应用，因此，基于应用和经济的目的，需要去寻找能够有效利用太阳能的可见光催化剂。目前为止，已采用不同的策略用于二氧化钛的结构改性：如引进金属离子[1,2]、掺杂N、C、S等阴离子[3]以及与低能带的半导体材料复合[4]等。然而，这些掺杂的材料在可见光区域一般表现出的较小的吸收，导致其催化活性较低。所以，急需探索新型的光催化剂来有效解决二氧化钛在可见光下较低光催化活性问题。迄今为止，几种有希望的可见光催化剂已被尝试并取得了一些优异的结果。例如，InTaO4 [5]、BiFeO3 [6]、TaON [7]、Ag@AgBr [8]以及Bi2WO6 [9-11]等等。由此可见，新型光催化材料的探索是满足未来环境和能源技术要求的一种切实可行的途径。 作为一种n型半导体材料，SnS2属于层状金属硫属化物，具有六方的CdI2型的晶体结构。由于其层状结构中存在有大量的空位，SnS2成为一种重要的插层反应主体材料。实际上，该材料作为锂电池的插层电极已经被研究了很多年[12-14]。另外，由于合成的复合材料通常具有很多改进的性能（比如提高的电子、离子导电性），所以聚合物在SnS2中的插入成为目前研究的又一热点，已经有不同种类的聚合物被成功地插入到了SnS2材料中[15-17]。还有，SnS2具有较宽的能带隙（约为2.35eV）以及较强的各向异性的光学性质，因此，SnS2也可以被应用于其他的广泛领域，比如：气敏材料[18]，光电设备[19]，全记录系统及光学材料[20]等。 在过去的几十年里，由于其特殊的化学物理性能，各种从一维的到三维的各向异性的纳米材料吸引起了特别的关注[21, 22]。而且，由于其在磁学、光电学、杂相催化以及纳米电子学方面的应用，均匀的纳米材料自组装成一维到三维的超级结构也吸引了迅速增长的兴趣[23]。因此，纳米材料的形貌控制合成已受到了越来越多的注意。作为一种重要的半导体，人们对SnS2投入了较多的研究并获得了许多不同尺寸和形状的纳米材料。如，不规则的纳米粒子[24]，花形的或芦荟形的纳米材料[25]，纳米片[25, 27]，纳米带[28, 29]，薄膜[30, 31]，纳米复合材料[32]等等。然而，与II–VI和III–V主族半导体纳米材料形貌控制合成的显著成果相比，所得的SnS2的形貌通常不规则且团聚现象严重。尽管也有几个优异的工作被报道，如：用氧化铝模板法合成的SnS2纳米管[33]、热分解单分子前驱物合成的纳米盘[14]， 然而预制的氧化铝模板或有机金属前驱物的毒性限制了其在实际中应用。因此，如何利用一种简单廉价的方法制备具有可控形貌和较小尺寸的SnS2纳米材料仍然存在很大的困难。而且，相关的性能研究也可能为其在纳米设备方面的应用提供一些新的途径。 在目前的研究中，以SnCl4•5H2O和CS2为前驱物，利用一种改进的溶剂热方法成功合成了六角的SnS2单晶纳米片，据我们所知，这种以简单的无机盐作为原料合成的六角形SnS2单晶纳米片还鲜有报道。由于其的特殊结构和形貌，进一步研究了这种六角SnS2单晶纳米片的光学和可见光催化性能。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 在现代社会的能源危机和环境污染问题面前，可见光催化剂有望通过利用太阳能分解水制氢和净化水与空气而有效解决这两个问题。二氧化钛是一种常用的光催化剂，但由于其较大的能带隙导致利用太阳能的效率很低，因此，探索新型的可见光催化剂是满足未来环境和能源技术需要的一种切实可行的途径。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品以结晶四氯化锡（SnCl4•5H2O）和二硫化碳（CS2）为前驱物，通过一种改进的溶剂热方法成功合成了具有六角形规则形貌的SnS2纳米片，其直径为20-70nm，厚度为7-10nm，而且所得材料可以自组装成一维柱状的纳米结构。作为对所得材料性能的进一步探索，选用罗丹明B的水溶液为模拟染料废水，以所得SnS2纳米片为催化剂，研究其在可见光下的光催化降解效率。
应用价值和现实意义
- 光催化实验结果发现，这种SnS2纳米片具有很好的催化性能，将来很可能成为一种良好的可见光降解材料，在染料废水处理、环境保护等领域具有广阔的应用前景。
学术论文摘要
- 以SnCl4•5H2O和CS2为前驱物，利用一种改进的溶剂热方法成功合成了六角的SnS2单晶纳米片。利用X-射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对所得产物的物相、形貌以及晶格进行了表征。结果表明，所得SnS2纳米晶为具有六角片状形貌的单晶六方结构，其直径为20-70nm、厚度为7-10nm。高分辨透射电镜分析表明，SnS2六角纳米片的形成来源于其<001>方向的生长受限以及其六个等能量的<110>方向的快速生长。以罗丹明B水溶液为模拟染料废水，进一步研究了所得SnS2六方纳米片在太阳光条件下对染料的催化降解性能。实验结果表明，SnS2纳米片对罗丹明B的水溶液具有很好的可见光催化降解能力，在太阳光照射70分钟后其脱色率可达 97.7﹪。良好的光催化性能表明SnS2是一种优良的可见光催化剂，在环境保护、废水处理方面具有很好的应用前景。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1. H. Yamashita, M. Harada, J. Misaka, M. Takeuchi, K. Ikeue and M. Anpo, J. Photochem. Photobiol. A, 2002, 148, 257-261. 2. M. Kitano, M. Takeuchi, M. Matsuoka, J. Thomas and M. Anpo, Catal. Today, 2007, 120, 133-138. 3. R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki and Y. Taga, Science, 2001, 293, 269-271. 4. Z. Chen, L. Qian, J. Zhu, Y. Yuan and X. Qian, CrystEngComm, 2010, 12, 2100-2106. 5. M. Shang, W. Wang, S. Sun, L. Zhou and L. Zhang, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 10407-10411. 6. J. W. Seo, J. T. Jang, S. W. Park, C. J. Kim, B. W. Park and J. W. Cheon, Adv. Mater., 2008, 20, 4269-4273. 7. E. Aharon, A. Albo, M. Kalina and G. L. Frey, Adv. Funct. Mater., 2006, 16, 980-986. 8. W. D. Shi, L. H. Huo, H. S. Wang, H. J. Zhang, J. H. Yang and P. H. Wei, Nanotechnology, 2006, 17, 2918-2924. 9. N. Takeda and B. A. Parkinson, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 5559-5571. 10. H. L. Zhu, X. Ji and D. R. Yang, J. Mater. Sci., 2006, 41, 3489-3492.
同类课题研究水平概述
- 在现代社会的能源危机和环境污染问题面前，可见光催化剂有望通过利用太阳能分解水制氢和净化水与空气而有效解决这两个问题。二氧化钛是一种常用的光催化剂，但由于其较大的能带隙导致其利用太阳能的效率很低，所以探索新型的可见光催化剂是满足未来环境和能源技术需要的一种切实可行的途径。 在众多的纳米材料中，金属硫族半导体纳米材料由于其独特的物理化学性能，在许多领域具有广泛的应用景。作为一种重要的n型半导体材料(Eg = 2.35 eV)，SnS2由于其较宽的能带隙以及较强的各向异性的光学性质，在锂离子电池、光学材料、太阳能电池、电子开关等方面具有非常重要的应用。在过去的十几年里，SnS2纳米材料的研究吸引了相当多的关注，已通过不同的合成方法获得了许多不同结构与形貌的SnS2纳米材料，如：利用微波辐照的方法以及SnO2-SnS2离子交换反应合成了SnS2的纳米粒子；以SnCl2•2H2O和Na2S作为前驱物，巯基乙酸（TGA）作为包覆剂，合成了SnS2的纳米带状结构；以SnCl4•5H2O和(NH2)2CS作为前驱物，利用水热合成法制备了SnS2的圆盘状纳米结构，以及通过无溶剂的氧化铝模板方合成了SnS2纳米管等。尽管目前对于SnS2纳米晶的控制合成以及在理解其形成机理方面已经取得了巨大的进步，但是由于以上方法所得SnS2纳米晶多为一些尺寸较大、严重团聚、形貌不规则的纳米材料，有的甚至是微米级材料，而且使用的试剂有毒、反应高温、需要特殊器材或氧化铝模板等。因此，发展一种简单的“软化学”方法合成具有较小尺寸和规则形貌的SnS2纳米材料仍然存在一定的困难。作为对SnS2研究工作的进一步发展，本作品以结晶四氯化锡（SnCl4•5H2O）和二硫化碳（CS2）为前驱物，通过一种改进的溶剂热方法成功合成了具有六角形规则形貌的SnS2纳米片，其直径为20-70nm，厚度为7-10nm，而且所得材料可以自组装成一维柱状的纳米结构。作为对所得材料性能的进一步探索，选用罗丹明B的水溶液为模拟染料废水，以所得SnS2纳米片为催化剂，研究其在可见光下的光催化降解效率，结果发现，这种SnS2纳米片具有很好的催化性能，将来很可能成为一种良好的可见光降解材料，在染料废水处理、环境保护等领域具有广阔的应用前景。
