一种MoS2/TiO2/Si金字塔阵列光电催化剂及制备方法

本发明涉及纳米材料技术领域，具体为一种mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂及制备方法。

背景技术：

现如今，在医疗及养殖畜牧领域中，大量污水排放逐渐影响人们的日常生活，人类在呼吁污水减排的同时，也做出相应措施以处理污水，比如通过吸附、过滤、光电催化等治理手段。吸附、过滤这类物理方法处理流程复杂繁琐，处理结果不尽人意，还可能因处理不当造成环境的二次污染，光电催化这类化学方法因其处理过程简单、环境友好等优势引起广泛的关注。

然而，由于大多数光电催化剂为粉末颗粒状，在催化过程中难以回收重复利用，这不仅不利于催化剂的循环使用，而且可能会造成水体环境的二次污染。因此，研发一种易于回收利用且性能良好的光电催化剂材料迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂，将mos2纳米颗粒负载于镀上一层tio2薄膜的硅金字塔阵列表面形成所述mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂。

进一步的，所述mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂的制备方法包括以下步骤：

(1)硅片预处理、配置碱性刻蚀液，并采用湿法碱性化学刻蚀的方法制备硅金字塔阵列；

(2)通过磁控溅射法在所述硅金字塔阵列表面镀一层tio2致密层薄膜，得到上表面沉积tio2薄膜的金字塔阵列硅基片；

(3)通过水热法制得mos2纳米颗粒，并制备成溶液，将所述mos2溶液依次通过旋涂和煅烧的方法负载于沉积tio2薄膜的硅金字塔阵列上表面，得到所述mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂。

进一步的，上述步骤(1)中所述碱性刻蚀液的配置方法为：将koh、(ch3)2choh和h2o倒入烧杯中并搅拌均匀配置成所述碱性刻蚀液。

进一步的，步骤(1)中所述硅片预处理的方法为：将1×1cm²的单面抛光n型硅片分别放入丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗，然后将硅片放入浓硫酸与过氧化氢的混合溶液中浸泡，最后再将硅片放入去离子水中进行超声清洗。

进一步的，所述步骤(1)具体为将硅片放入丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗的时间为15min；浓硫酸与过氧化氢的体积比为3：1，浸泡温度为80℃，浸泡时间为20min。

进一步的，步骤(1)还包括将预处理的硅片浸入所述碱性刻蚀液中，保温80℃刻蚀1-2h，随后对刻蚀后的硅片浸入去离子水中进行超声清洗3次，取出后在真空环境下自然干燥得到所述硅金字塔阵列。

进一步的，步骤(2)中所述磁控溅射法中所用磁控溅射靶材为带有铜背靶的tio2陶瓷靶；磁控溅射的工作条件为：溅射功率为100-200w，工作压强为0.5-1.5pa，溅射时间为10-30min，溅射温度为室温条件。

进一步的，步骤(3)中的水热反应温度为180-240℃，水热反应时间为18-24h。

进一步的，步骤(3)中制备mos2纳米颗粒所用的前驱体试剂为0.4g的na2moo4·2h2o，0.38g的c6h5ch2ssch2c6h5及60ml去离子水混合均匀制得。

进一步的，步骤(3)中的mos2溶液的浓度为10g/l，旋涂体积为30μl，煅烧温度为220℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂相较于未经处理的平面硅作为光电催化剂的基底，金字塔硅阵列可以增加入射光光程，有效提高可见光的吸收效率；

(2)通过磁控溅射技术在硅基上负载一层tio2薄膜，其作用为有效地避免硅基底在光电催化过程中被光腐蚀，起到一定的防护作用，并且，tio2薄膜的带隙较大，导电性较高，既能促进载流子在界面处的高速传导，又可以为后续负载助催化剂提供丰富的附着位点；

(3)通过水热法制备得到mos2纳米颗粒并旋涂附着于金字塔型硅基片表面，通过控制水热温度及水热时间能够有效的调控mos2颗粒的尺寸，使其暴露更多的活性位点，得到性能较好的mos2纳米助催化剂；

(4)本发明的mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂，在光电催化的过程中能够降低光生电子空穴对的复合几率，并有效提高其光电性能。

附图说明

图1所示为mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂制备流程图；

图2所示为mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂催化机理图；

图3所示为si金字塔阵列扫描电子显微形貌图；

图4所示为mos2透射电子显微形貌图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种易于回收利用、性能良好且无环境二次污染的mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化材料的制备方法。所述的mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化材料，其中，硅片带隙较窄(～1.12ev)，光吸收波长范围较大，表面经过刻蚀处理，能进一步提升其对光的吸收率；tio2薄膜为致密的氧化膜，作用为光电催化过程中对硅电极基片的保护；助催化剂mos2用水热法制备，并旋涂于硅片表面，形成异质结，并通过光电催化来促进其光生电子空穴对的快速分离，驱动水体中的oh^-氧化成·oh,而·oh具有强氧化性，可以有效地降解水体中的污染物。

实施例1

(1)称量3g的koh、20ml的ipa(异丙醇)以及80ml的去离子水，配置成碱性刻蚀液。将已预处理硅片浸入刻蚀液中，刻蚀温度为80℃，保温时间为2h，随后对刻蚀后的硅片表面用去离子水进行冲洗，并放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到金字塔型硅阵列，待用；

(2)将tio2陶瓷靶和金字塔型硅基片放入磁控溅射设备中，调整溅射功率为100w，工作压强为0.5pa，溅射时间为10min，溅射完成后硅片待用；

(3)将0.4g的na2moo4·2h2o、0.38g的c6h5ch2ssch2c6h5和60ml的去离子水混合均匀，随后转移至100ml高压反应釜中，进行水热反应，其中水热温度220℃，水热时间18h，得到mos2悬浊液；

(4)将mos2悬浊液分别通过去离子水和无水乙醇离心清洗3次，并于真空干燥箱中干燥24h待用；

(5)取100mgmos2粉末并倒入10mln-甲基吡咯烷酮有机溶剂中配置成mos2溶液，并取30μl溶液均匀旋涂于金字塔型硅基表面，然后将硅片放入管式炉中煅烧30min，煅烧温度为220℃，得到mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂。

(6)模拟污水考察mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂的性能

在chi660d电化学工作站中，将100ml浓度为10mg/l环丙沙星模拟水源和0.5mna2so4电解质加入到三电极电解池中进行光电催化实验。采用mos2/tio2/si金字塔阵列光电催化剂作为工作电极，pt作为对电极，ag/agcl作为参比电极，使用功率为300w并装有截止波长420nm滤波片的氙灯光源模拟自然可见光，并加入0.6mmpms(过一硫酸氢钾)活性剂。施加的偏压为0.5v。此外，实验中的所有电位都转化为可逆氢电极(rhe)。

实施例2

(1)称量3g的koh、20ml的ipa(异丙醇)以及80ml的去离子水，配置成碱性刻蚀液。将已预处理硅片浸入刻蚀液中，刻蚀温度为80℃，保温时间为2h，随后对刻蚀后的硅片表面用去离子水进行冲洗，并放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到金字塔型硅阵列，待用；

(2)将0.4g的na2moo4·2h2o、0.38g的c6h5ch2ssch2c6h5和60ml的去离子水混合均匀，随后转移至100ml高压反应釜中，进行水热反应，其中水热温度220℃，水热时间18h，得到mos2悬浊液；

(3)将mos2悬浊液分别经过去离子水和无水乙醇的3次清洗离心，并于真空干燥箱中干燥24h待用；

(4)取100mgmos2粉末并倒入10mln-甲基吡咯烷酮有机溶剂中配置成mos2溶液，并取30μl溶液均匀旋涂于金字塔型硅基表面，然后将硅片放入管式炉中煅烧30min，煅烧温度为220℃，得到mos2/si金字塔阵列光电催化剂。

(5)模拟污水考察mos2/si金字塔阵列光电催化剂的性能

在chi660d电化学工作站中，将100ml浓度为10mg/l环丙沙星模拟水源和0.5mna2so4电解质加入到三电极电解池中进行光电催化实验。采用mos2/si金字塔阵列光电催化剂作为工作电极，pt作为对电极，ag/agcl作为参比电极，使用功率为300w并装有截止波长420nm滤波片的氙灯光源模拟自然可见光，并加入0.6mmpms(过一硫酸氢钾)活性剂。施加的偏压为0.5v。此外，实验中的所有电位都转化为可逆氢电极(rhe)。

实施例3

(1)称量3g的koh、20ml的ipa(异丙醇)以及80ml的去离子水，配置成碱性刻蚀液。将已预处理硅片浸入刻蚀液中，刻蚀温度为80℃，保温时间为2h，随后对刻蚀后的硅片表面用去离子水进行冲洗，并放入真空干燥箱中进行干燥处理，得到金字塔型硅阵列，待用；

(2)模拟污水考察si金字塔阵列光电催化剂的性能

在chi660d电化学工作站中，将100ml浓度为10mg/l环丙沙星模拟水源和0.5mna2so4电解质加入到三电极电解池中进行光电催化实验。采用si金字塔阵列光电催化剂作为工作电极，pt作为对电极，ag/agcl作为参比电极，使用功率为300w并装有截止波长420nm滤波片的氙灯光源模拟自然可见光，并加入0.6mmpms(过一硫酸氢钾)活性剂。施加的偏压为0.5v。此外，实验中的所有电位都转化为可逆氢电极(rhe)。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。