[發(fā)明專利]半導(dǎo)體硫化銻納米晶及其制備方法和光催化產(chǎn)氫性能測試方法

在審

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• 申請日: 2017-04-14
• 公開（公告）號: CN107089681A
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 譚國龍;吳佩年
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: C01G30/00
• 分類號: C01G30/00;B82Y30/00;B82Y40/00;C03C17/34;B01J27/04;G01N27/48
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 崔友明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米光催化技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體硫化銻(Sb₂S₃)納米晶及其制備方法和光催化產(chǎn)氫性能的測試方法。

背景技術(shù)

光催化劑是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。光催化產(chǎn)氫的基本原理是通過光催化劑材料吸收光輻射的能量，激發(fā)電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶變?yōu)閷?dǎo)帶電子，同時在價帶上形成相應(yīng)數(shù)量的空穴得到電子-空穴對，然后形成的部分光生電子移動到材料的表面把吸附在材料表面的質(zhì)子或者水分子還原得到氫氣。其中生成的光生電子和光生空穴具有很強的氧化還原性能，不僅可以分解水制備氫氣，而且還可分解幾乎所有對人體和環(huán)境有害的有機物質(zhì)及部分無機物質(zhì)。故可廣泛的應(yīng)用于環(huán)境凈化，自清潔材料，先進新能源，癌癥醫(yī)療，高效率抗菌等多個前沿領(lǐng)域。

硫化銻(Sb₂S₃)是一種光催化性能相對優(yōu)良的材料，它不僅無毒而且價格很低廉，來源又很豐富，其在地球上的資源豐度很高，是一種性能非常優(yōu)良的半導(dǎo)體材料。硫化銻半導(dǎo)體納米晶體屬于正交晶系，是一種重要的IV－VI族直接帶隙半導(dǎo)體材料。得益于其相對較窄的禁帶帶隙(1.5eV～2.2eV)，能充分吸收利用可見光輻射的能量。可廣泛應(yīng)用于光電學(xué)、光致發(fā)光、太陽能電池、電子設(shè)備和光水解等研究應(yīng)用領(lǐng)域。目前，雖然有很多文獻報道了硫化銻納米晶體的合成，并在這個領(lǐng)域取得了很大的進展，但是，能有效地控制硫化銻納米晶體的組分、形貌的合成方法的文獻報道還不是很多，人們依舊需要探索更加簡便高效的合成方法。大多數(shù)所報道的方法如化學(xué)氣相沉淀法，真空蒸發(fā)法，化學(xué)浴法，硫化法等化學(xué)合成法都需要在適宜的外部條件下(包括溫度，壓力，氣體氛圍等)，合成量少，能耗高，并且有些方法由于需要制備前驅(qū)體，操作麻煩，同時制得的樣品表面覆蓋了有機物等雜質(zhì)，從而對材料的本征物理性能產(chǎn)生了一定的影響。所以采取一種代替的物理方法來制備表面干凈而且化學(xué)組成單一的硫化銻納米晶材料顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種半導(dǎo)體硫化銻(Sb₂S₃)納米晶制備方法與其光催化產(chǎn)氫性能的測試方法，用低溫高效無污染的機械合金法來制備半導(dǎo)體納米晶體，該方法制備出的硫化銻材料表面清潔且組成單一，具有良好的本征物理性能。利用旋轉(zhuǎn)涂布法來制備硫化銻納米薄膜，安裝于電解池上進行光催化性能測試，表現(xiàn)出高效的光催化產(chǎn)氫性能。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：半導(dǎo)體硫化銻納米晶，其化學(xué)式為：Sb₂S₃，分子量為339.68，結(jié)構(gòu)為正交晶系，空間群號：Pcmn(62)；其晶體顆粒呈無規(guī)則球形狀，晶體顆粒大小分布較窄為6.5nm～11.5nm，高斯擬合后得出平均尺寸為8.67nm，且化學(xué)成分比較均勻、結(jié)構(gòu)單一，表面純凈，半導(dǎo)體硫化銻納米晶的直接帶隙值為1.74eV。

利用機械合金法制備半導(dǎo)體硫化銻納米晶的方法，其步驟如下：

(1)清洗球磨罐，烘干，將高純銻粉、硫粉的粉末混合物作為原材料密封在球磨罐，其中所加的粉末粒徑大小均為100±5nm，球磨罐密封后進行排空處理，防止反應(yīng)時樣品被氧化；

(2)將步驟1)中球磨罐安裝在球磨機上球磨，調(diào)整球磨機馬達的運轉(zhuǎn)速率為1200±100r/min，連續(xù)轉(zhuǎn)磨30h，便可以直接合成半導(dǎo)體硫化銻納米晶。

按上述方案，步驟(1)中高純銻粉、硫粉的純度均高于99.9wt％，銻粉與硫粉的摩爾比為(2±0.1):(3±0.1)。

按上述方案，球磨罐中的球磨子直徑為2-12mm，球磨子與粉末混合物質(zhì)量比設(shè)定為2:1～3:1。

半導(dǎo)體硫化銻納米晶作為光催化產(chǎn)氫劑的性能測試方法，包括有以下步驟：

(a)清洗玻璃片，按照電解池的大小切割相應(yīng)規(guī)格的玻璃片，首先浸泡在去離子水與有機溶劑混合溶液中超聲清洗，再放入異丙醇溶液中超聲清洗，吹干最后放入丙酮溶液中超聲清洗，再放入紫外真空臭氧清洗機中清洗15min以上，備用；

(b)將半導(dǎo)體硫化銻納米晶取100mg放入3ml甲苯溶液中，超聲清洗至少60min以上制取懸浮溶液，旋轉(zhuǎn)涂布于玻璃片上，放于磁力攪拌器上退火烘干；

(c)將烘干后的玻璃片安裝上電解池，進行光催化產(chǎn)氫性能測試。

按上述方案，步驟(a)中的玻璃片為FTO玻璃，其電阻值小于等于15歐姆，有機溶劑為丙酸酮。