本發(fā)明屬于光催化材料技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種具有單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的制備方法。

背景技術(shù)：

光催化技術(shù)是一種在環(huán)境，能源和醫(yī)療等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景的綠色技術(shù)，因此受到研究者的廣泛關(guān)注。在過去幾十年中，有許多類型半導(dǎo)體光催化材料被運用在這一領(lǐng)域。人們發(fā)現(xiàn)獨特的納米結(jié)構(gòu)對光催化性能產(chǎn)生決定性的影響。如今像納米管、納米線、納米帶等具有獨特結(jié)構(gòu)光催化材料已經(jīng)被廣泛使用在光催化上，并表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性。自從石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，二維單層納米片表現(xiàn)出優(yōu)異的電子結(jié)構(gòu)和超大比表面積等特性，備受廣大光催化工作者的關(guān)注。經(jīng)過文獻(xiàn)研究表明，傳統(tǒng)采用制備二維單層片材料主要是液相剝離法，但是這方法耗時長、產(chǎn)率低、成本高等缺點，很大程度上限制了其在光催化領(lǐng)域應(yīng)用。為了解決這些問題，開發(fā)操作簡單、成本低廉、產(chǎn)率高、反應(yīng)條件溫和的單層納米片合成方法對促進(jìn)光催化發(fā)展具有重大意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料制備方法。本發(fā)明制備出的催化劑材料結(jié)晶度好，純度高，具有穩(wěn)定的光催化活性；并且本發(fā)明的方法操作簡單、成本低、產(chǎn)量高，適合進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的制備方法，具體包括以下步驟：

1）將硫粉、錳粉和三硫化二銻按摩爾比為1:1:1.1加入到70-100mmol的水合肼中，室溫下充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅D(zhuǎn)移到30ml反應(yīng)釜進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)時間為4-7天，反應(yīng)溫度為100-150℃，待反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻到室溫，分別用去離子水、丙酮和乙醇對樣品進(jìn)行洗滌，干燥后得到單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的前驅(qū)物；

2）將步驟1）中所得到前驅(qū)物在氮氣氣氛下煅燒2-4小時，煅燒溫度為400-600℃，得到單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料。

單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化劑光解水活性測試實驗具體步驟如下：將50毫克樣品、100毫升去離子水和0.03mmol犧牲劑放入反應(yīng)器中。反應(yīng)前，先對反應(yīng)裝置排空氣，待反應(yīng)裝置完全排除空氣。光解水反應(yīng)在300W氙燈光照下，并且反應(yīng)過程都在可見光（波長＞420nm）進(jìn)行。光解水反應(yīng)時間為5小時，每個小時都通過氣相色譜進(jìn)行采樣分析。最后通過工作站得出樣品的活性數(shù)據(jù)。

對制備出的單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料以下物理特性表征，X射線粉末衍射（XRD）對樣品進(jìn)行相結(jié)構(gòu)及組成分析。透射電子顯微鏡(TEM)對樣品進(jìn)行形貌分析。紫外-可見漫反射(DRS)對樣品進(jìn)行吸光度分析。拉曼光譜對樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。原子力顯微鏡(AFM)對合成出的單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄進(jìn)行厚度分析。

本發(fā)明的有益效果在于：

1）本發(fā)明實驗條件要求低、操作簡單、成本低、產(chǎn)率高，適合工業(yè)化生產(chǎn)；

2）通過本發(fā)明的方法制備出的催化劑材料結(jié)晶度好，純度高；

3）本發(fā)明對以后制備更多類型單層結(jié)構(gòu)光催化劑提供一種可能的途徑，對光催化發(fā)展具有極大意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所得單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的XRD圖；

圖2為本發(fā)明所得單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的TEM圖；

圖3為本發(fā)明所得單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的DRS圖；

圖4為本發(fā)明所得單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的AFM圖；

圖5為本發(fā)明所得單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的拉曼光譜圖；

圖6為本發(fā)明所得單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的光解水產(chǎn)氫活性測試圖。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不僅僅限于這些實施例。

實施例1

一種單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的制備方法，具體包括以下步驟：

1）通過溶劑熱法制備單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄前驅(qū)物。首先，將硫粉、錳粉、三硫化二銻（硫粉、錳粉和三硫化二銻的摩爾比為1:1:1.1）以及72mmol水合肼加入到燒杯中，在室溫下攪拌45分鐘，形成均勻懸濁液；再將所得懸濁液轉(zhuǎn)移到30ml的反應(yīng)釜中，放進(jìn)恒溫烘箱內(nèi)140℃下進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)7天，反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻到室溫，分別用去離子水、丙酮、乙醇對樣品進(jìn)行洗滌；在60℃下干燥12小時，得到單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄前驅(qū)物；

2）將步驟1）得到的單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄前驅(qū)物進(jìn)行煅燒。前驅(qū)物放入瓷舟內(nèi)，并分布均勻。將瓷舟送入管式爐中，煅燒前先通一個小時氮氣，之后進(jìn)行程序升溫達(dá)到500℃，反應(yīng)時間為120分鐘。反應(yīng)結(jié)束后自然降為室溫，取出樣品，即得到單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化劑。

實施例2

一種單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的制備方法，具體包括以下步驟：

1）通過溶劑熱法制備單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄前驅(qū)物。首先，將硫粉、錳粉、三硫化二銻（硫粉、錳粉和三硫化二銻的摩爾比為1:1:1.1）以及100mmol水合肼加入到燒杯中，在室溫下攪拌45分鐘，形成均勻懸濁液；再將所得懸濁液轉(zhuǎn)移到30ml的反應(yīng)釜中，放進(jìn)恒溫烘箱內(nèi)150℃下進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)4天，反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻到室溫，分別用去離子水、丙酮、乙醇對樣品進(jìn)行洗滌；在60℃下干燥12小時，得到單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄前驅(qū)物；

2）將步驟1）得到的單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄前驅(qū)物進(jìn)行煅燒。前驅(qū)物放入瓷舟內(nèi)，并分布均勻。將瓷舟送入管式爐中，煅燒前先通一個小時氮氣，之后進(jìn)行程序升溫達(dá)到400℃，反應(yīng)時間為240分鐘。反應(yīng)結(jié)束后自然降為室溫，取出樣品，即得到單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化劑。

實施例3

一種單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化材料的制備方法，具體包括以下步驟：

1）通過溶劑熱法制備單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄前驅(qū)物。首先，將硫粉、錳粉、三硫化二銻（硫粉、錳粉和三硫化二銻的摩爾比為1:1:1.1）以及85mmol水合肼加入到燒杯中，在室溫下攪拌45分鐘，形成均勻懸濁液；再將所得懸濁液轉(zhuǎn)移到30ml的反應(yīng)釜中，放進(jìn)恒溫烘箱內(nèi)100℃下進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)7天，反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻到室溫，分別用去離子水、丙酮、乙醇對樣品進(jìn)行洗滌；在60℃下干燥12小時，得到單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄前驅(qū)物；

2）將步驟1）得到的單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄前驅(qū)物進(jìn)行煅燒。前驅(qū)物放入瓷舟內(nèi)，并分布均勻。將瓷舟送入管式爐中，煅燒前先通一個小時氮氣，之后進(jìn)行程序升溫達(dá)到600℃，反應(yīng)時間為180分鐘。反應(yīng)結(jié)束后自然降為室溫，取出樣品，即得到單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化劑。

本發(fā)明制得的單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化劑有較好的結(jié)晶度（如圖1所示），其XRD主峰能與標(biāo)準(zhǔn)XRD完全一致。圖2可以看出單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄形貌較為規(guī)整，其吸光度（如圖3所示）強(qiáng)，對可見光都有吸收。對單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化劑進(jìn)行厚度分析，結(jié)果如圖4所示，分析結(jié)果可以驗證此方法合成出的MnSb₂S₄為單層結(jié)構(gòu)，內(nèi)里插圖是相對應(yīng)AFM圖像。同時，也對MnSb₂S₄光催化劑單層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

光催化性能測試

單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化劑進(jìn)行光催化產(chǎn)氫活性測試。光催化產(chǎn)氫反應(yīng)是在泊菲萊產(chǎn)氫循環(huán)系統(tǒng)下進(jìn)行。50毫克樣品分散在100毫升去離子水中，同時也加入0.03mmol犧牲劑。反應(yīng)之前，反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空排除空氣。在磁力攪拌下，用300W氙燈為光源，使用大于420納米的可見光。反應(yīng)持續(xù)5小時，每小時進(jìn)行產(chǎn)氫量分析。分析是用在線色譜進(jìn)行。測試結(jié)果如圖6所示，表明單層結(jié)構(gòu)MnSb₂S₄光催化劑有穩(wěn)定的光催化活性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。