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基本信息

項目名稱：
六角形二硫化錫納米片：一種新型的可見光催化劑
小類：
能源化工
簡介：
以SnCl4?5H2O和CS2為前驅(qū)物，利用一種改進(jìn)的溶劑熱方法成功合成了六角形SnS2單晶納米片，所得SnS2納米晶為具有六角片狀形貌的單晶六方結(jié)構(gòu)，其直徑為20-70nm、厚度為7-10nm。實驗數(shù)據(jù)表明，所得SnS2納米片對羅丹明B的水溶液為模擬染料廢水具有很好的光催化降解能力，在太陽光照射70分鐘后的脫色率可達(dá)97.7%。
詳細(xì)介紹：
在現(xiàn)代社會的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題面前，可見光催化劑有望通過利用太陽能分解水制氫和凈化水與空氣而有效解決這兩個問題。盡管人們對二氧化鈦已進(jìn)行了很長時間的研究，但由于其能帶隙較寬（銳鈦礦：3.2ev；金紅石：3.0ev），因此其只能吸收占太陽光很少部分的紫外光，限制了其在實際中的應(yīng)用，因此，基于應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)的目的，需要去尋找能夠有效利用太陽能的可見光催化劑。目前為止，已采用不同的策略用于二氧化鈦的結(jié)構(gòu)改性：如引進(jìn)金屬離子[1,2]、摻雜N、C、S等陰離子[3]以及與低能帶的半導(dǎo)體材料復(fù)合[4]等。然而，這些摻雜的材料在可見光區(qū)域一般表現(xiàn)出的較小的吸收，導(dǎo)致其催化活性較低。所以，急需探索新型的光催化劑來有效解決二氧化鈦在可見光下較低光催化活性問題。迄今為止，幾種有希望的可見光催化劑已被嘗試并取得了一些優(yōu)異的結(jié)果。例如，InTaO4 [5]、BiFeO3 [6]、TaON [7]、Ag@AgBr [8]以及Bi2WO6 [9-11]等等。由此可見，新型光催化材料的探索是滿足未來環(huán)境和能源技術(shù)要求的一種切實可行的途徑。 作為一種n型半導(dǎo)體材料，SnS2屬于層狀金屬硫?qū)倩?，具有六方的CdI2型的晶體結(jié)構(gòu)。由于其層狀結(jié)構(gòu)中存在有大量的空位，SnS2成為一種重要的插層反應(yīng)主體材料。實際上，該材料作為鋰電池的插層電極已經(jīng)被研究了很多年[12-14]。另外，由于合成的復(fù)合材料通常具有很多改進(jìn)的性能（比如提高的電子、離子導(dǎo)電性），所以聚合物在SnS2中的插入成為目前研究的又一熱點，已經(jīng)有不同種類的聚合物被成功地插入到了SnS2材料中[15-17]。還有，SnS2具有較寬的能帶隙（約為2.35eV）以及較強(qiáng)的各向異性的光學(xué)性質(zhì)，因此，SnS2也可以被應(yīng)用于其他的廣泛領(lǐng)域，比如：氣敏材料[18]，光電設(shè)備[19]，全記錄系統(tǒng)及光學(xué)材料[20]等。 在過去的幾十年里，由于其特殊的化學(xué)物理性能，各種從一維的到三維的各向異性的納米材料吸引起了特別的關(guān)注[21, 22]。而且，由于其在磁學(xué)、光電學(xué)、雜相催化以及納米電子學(xué)方面的應(yīng)用，均勻的納米材料自組裝成一維到三維的超級結(jié)構(gòu)也吸引了迅速增長的興趣[23]。因此，納米材料的形貌控制合成已受到了越來越多的注意。作為一種重要的半導(dǎo)體，人們對SnS2投入了較多的研究并獲得了許多不同尺寸和形狀的納米材料。如，不規(guī)則的納米粒子[24]，花形的或蘆薈形的納米材料[25]，納米片[25, 27]，納米帶[28, 29]，薄膜[30, 31]，納米復(fù)合材料[32]等等。然而，與II–VI和III–V主族半導(dǎo)體納米材料形貌控制合成的顯著成果相比，所得的SnS2的形貌通常不規(guī)則且團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重。盡管也有幾個優(yōu)異的工作被報道，如：用氧化鋁模板法合成的SnS2納米管[33]、熱分解單分子前驅(qū)物合成的納米盤[14]， 然而預(yù)制的氧化鋁模板或有機(jī)金屬前驅(qū)物的毒性限制了其在實際中應(yīng)用。因此，如何利用一種簡單廉價的方法制備具有可控形貌和較小尺寸的SnS2納米材料仍然存在很大的困難。而且，相關(guān)的性能研究也可能為其在納米設(shè)備方面的應(yīng)用提供一些新的途徑。 在目前的研究中，以SnCl4?5H2O和CS2為前驅(qū)物，利用一種改進(jìn)的溶劑熱方法成功合成了六角的SnS2單晶納米片，據(jù)我們所知，這種以簡單的無機(jī)鹽作為原料合成的六角形SnS2單晶納米片還鮮有報道。由于其的特殊結(jié)構(gòu)和形貌，進(jìn)一步研究了這種六角SnS2單晶納米片的光學(xué)和可見光催化性能。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

在現(xiàn)代社會的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題面前，可見光催化劑有望通過利用太陽能分解水制氫和凈化水與空氣而有效解決這兩個問題。二氧化鈦是一種常用的光催化劑，但由于其較大的能帶隙導(dǎo)致利用太陽能的效率很低，因此，探索新型的可見光催化劑是滿足未來環(huán)境和能源技術(shù)需要的一種切實可行的途徑。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處

本作品以結(jié)晶四氯化錫（SnCl4?5H2O）和二硫化碳（CS2）為前驅(qū)物，通過一種改進(jìn)的溶劑熱方法成功合成了具有六角形規(guī)則形貌的SnS2納米片，其直徑為20-70nm，厚度為7-10nm，而且所得材料可以自組裝成一維柱狀的納米結(jié)構(gòu)。作為對所得材料性能的進(jìn)一步探索，選用羅丹明B的水溶液為模擬染料廢水，以所得SnS2納米片為催化劑，研究其在可見光下的光催化降解效率。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

光催化實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種SnS2納米片具有很好的催化性能，將來很可能成為一種良好的可見光降解材料，在染料廢水處理、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

學(xué)術(shù)論文摘要

以SnCl4?5H2O和CS2為前驅(qū)物，利用一種改進(jìn)的溶劑熱方法成功合成了六角的SnS2單晶納米片。利用X-射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）和高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）對所得產(chǎn)物的物相、形貌以及晶格進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，所得SnS2納米晶為具有六角片狀形貌的單晶六方結(jié)構(gòu)，其直徑為20-70nm、厚度為7-10nm。高分辨透射電鏡分析表明，SnS2六角納米片的形成來源于其<001>方向的生長受限以及其六個等能量的<110>方向的快速生長。以羅丹明B水溶液為模擬染料廢水，進(jìn)一步研究了所得SnS2六方納米片在太陽光條件下對染料的催化降解性能。實驗結(jié)果表明，SnS2納米片對羅丹明B的水溶液具有很好的可見光催化降解能力，在太陽光照射70分鐘后其脫色率可達(dá) 97.7﹪。良好的光催化性能表明SnS2是一種優(yōu)良的可見光催化劑，在環(huán)境保護(hù)、廢水處理方面具有很好的應(yīng)用前景。

獲獎情況

無

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

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同類課題研究水平概述

在現(xiàn)代社會的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題面前，可見光催化劑有望通過利用太陽能分解水制氫和凈化水與空氣而有效解決這兩個問題。二氧化鈦是一種常用的光催化劑，但由于其較大的能帶隙導(dǎo)致其利用太陽能的效率很低，所以探索新型的可見光催化劑是滿足未來環(huán)境和能源技術(shù)需要的一種切實可行的途徑。 在眾多的納米材料中，金屬硫族半導(dǎo)體納米材料由于其獨特的物理化學(xué)性能，在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用景。作為一種重要的n型半導(dǎo)體材料(Eg = 2.35 eV)，SnS2由于其較寬的能帶隙以及較強(qiáng)的各向異性的光學(xué)性質(zhì)，在鋰離子電池、光學(xué)材料、太陽能電池、電子開關(guān)等方面具有非常重要的應(yīng)用。在過去的十幾年里，SnS2納米材料的研究吸引了相當(dāng)多的關(guān)注，已通過不同的合成方法獲得了許多不同結(jié)構(gòu)與形貌的SnS2納米材料，如：利用微波輻照的方法以及SnO2-SnS2離子交換反應(yīng)合成了SnS2的納米粒子；以SnCl2?2H2O和Na2S作為前驅(qū)物，巰基乙酸（TGA）作為包覆劑，合成了SnS2的納米帶狀結(jié)構(gòu)；以SnCl4?5H2O和(NH2)2CS作為前驅(qū)物，利用水熱合成法制備了SnS2的圓盤狀納米結(jié)構(gòu)，以及通過無溶劑的氧化鋁模板方合成了SnS2納米管等。盡管目前對于SnS2納米晶的控制合成以及在理解其形成機(jī)理方面已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但是由于以上方法所得SnS2納米晶多為一些尺寸較大、嚴(yán)重團(tuán)聚、形貌不規(guī)則的納米材料，有的甚至是微米級材料，而且使用的試劑有毒、反應(yīng)高溫、需要特殊器材或氧化鋁模板等。因此，發(fā)展一種簡單的“軟化學(xué)”方法合成具有較小尺寸和規(guī)則形貌的SnS2納米材料仍然存在一定的困難。作為對SnS2研究工作的進(jìn)一步發(fā)展，本作品以結(jié)晶四氯化錫（SnCl4?5H2O）和二硫化碳（CS2）為前驅(qū)物，通過一種改進(jìn)的溶劑熱方法成功合成了具有六角形規(guī)則形貌的SnS2納米片，其直徑為20-70nm，厚度為7-10nm，而且所得材料可以自組裝成一維柱狀的納米結(jié)構(gòu)。作為對所得材料性能的進(jìn)一步探索，選用羅丹明B的水溶液為模擬染料廢水，以所得SnS2納米片為催化劑，研究其在可見光下的光催化降解效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種SnS2納米片具有很好的催化性能，將來很可能成為一種良好的可見光降解材料，在染料廢水處理、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
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