金属硫化物及其衍生物的制备及在光电催化和传感中的应用

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纳米科学与技术的迅速发展有效地促进了纳米材料在检测和催化领域的广泛应用。其中,硫基纳米材料作为一种新型的无机半导体纳米材料,由于其禁带宽度较窄,对可见光有着较强吸收而吸引了非常多科研工作者的关注。被认为是目前最具吸引力的半导体材料之一。本论文基于水热法成功制备了钒掺杂的硫化铋、并借助硫化铋中间体实现了铋离子对钒酸铋材料的掺杂,最后通过水热法成功制备了硫化铟纳米材料,并研究了前两种材料用作光电阳极时的光电性能和硫化铟作为光电传感器件对一价铊离子的检测能力。本论文主要研究内容及结果如下:(1)制备Bi-BiVO4/FeOOH纳米薄膜:通过“水热-煅烧”的制备流程,成功制备了Bi-BiVO4,然后在此基础上通过电沉积策略沉积了一层FeOOH。通过对比借助中间体Bi2S3对BiVO4进行Bi掺杂和无Bi掺杂两种情况,表明掺杂对于提高钒酸铋光电性能是比较明显的,滴凃相同厚度的BiVO4时,有Bi掺杂的情况下的光电流密度值大约为无掺杂情况下的2.5-3.0倍。同时,我们也探究了水热过程中直接加入不同非化学计量比的铋前驱体的用量,结果显示最终的电流值几乎没有变化,表明直接通过水热法进行掺杂的方法是行不通的。该方法对于通过金属离子掺杂进行改性的体系具有很好的借鉴意义。(2)制备V-Bi2S3纳米线:通过“固相薄膜前躯体-溶液反应-固相薄膜产物”的工艺流程,以钒酸铋纳米颗粒薄膜为铋源,硫脲为硫源经水热反应制备了V-Bi2S3纳米线,并以氧化铋为铋源做对比实验,比较了有无钒掺杂情况下的光电性能。SEM显示生成的Bi2S3和V-Bi2S3的取向均各向异性,膜厚分别为560 nm和582 nm。XRD显示生成的BiVO4为单斜晶系,Bi2O3为单斜晶系,Bi2S3为斜方晶系,V-Bi2S3为斜方晶系。V-Bi2S3纳米线薄膜可见光光电流密度约12 mA·cm-2(-0.2V vs Ag/AgCl)。1h后产氢量约为70μmol。相比于单纯的Bi2S3纳米线的光电流密度5 mA·cm-2(-0.2V vs Ag/AgCl),该样品的光电流密度有了大幅度的提高。究其原因,主要是由于钒掺杂可以在Bi2S3材料的晶格中引入新的电荷,形成表面缺陷或者改变晶格的类型,从而使Bi2S3材料的光生电子-空穴的运动状况、分布状态以及能带结构进行一定的调整,进而导致半导体材料的光催化活性发生改变。V5+离子也可以作为电子供体,提高Bi2S3的载流子浓度和半导体n型特征,进一步提高电子迁移率和电荷寿命。此外,在持续光照1h后,光电流值跟前者制备的单纯的Bi2S3相比,衰减幅度明显减小,1h后的光电流密度值保持在起始电流的84.6%。可能是由于掺杂使得光生载流子分离和传输速率增加,较多的光生空穴到达电极表面参与化学反应,而不是发生体相自腐蚀。(3)In2S3纳米片的制备及检测Tl+:通过水热法制备了In2S3纳米片,然后将其放置在还有不同量Tl+的TlNO3溶液中,通过浸泡前后光电化学信号的变化达到检测Tl+的目的。此工作的创新点在于首次尝试了通过构建光电化学传感器的方法来检测Tl+,并且该传感器检测性能良好。实验结果表明,该光电传感器件有着很好的选择性和抗干扰能力。且当[Tl+]小于10μM,pH=2时,光电流的衰减与[Tl+]的浓度呈现良好的线性关系(R2=0.9992)。
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