双金属硫化物纳米材料的制备及性能研究

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金属硫化物纳米材料是一类重要的半导体材料,具有独特的光电效应和丰富的结构类型,价格低廉来源丰富,在光吸收、光电转换、太阳能电池、电磁屏蔽、非线性光学、光催化、传感器等方面具有极大的潜在应用价值。一维纳米线状材料具有比表面积大、活性位点多、有利于电子的轴向传递等优点,引起了广泛的关注。本文围绕着一维纳米线状CuS的合成、表征、性能进行展开,并在此基础上合成了一维CuS/ZnS异质结双金属硫化物纳米材料和CuS/rGO复合材料,探讨了其光催化性能以及吸波性能。主要工作分为以下三部分:(1)采用湿化学法以Cu(CH3COO)2·H2O、Cu(NO32·3H2O、CuCl2·2H2O为铜源,硫脲为硫源,分别合成了CuS纳米球、CuS纳米线、CuS微米球花。研究了三种形貌的CuS的光催化降解亚甲基蓝的性能,结果表明CuS纳米线具有杰出的光催化性能,在60 min内,降解亚甲基蓝的效率达到97%。(2)在合成一维纳米线状CuS的基础上,通过湿化学法在130°C,摩尔比Cu:Zn=1:0.5时,制备了CuS/ZnS一维异质结纳米线,并应用于光催化反应实验。在此基础上探讨了温度,以及Cu:Zn的比例对形貌结构形成的影响,对产物进行了XRD、SEM、XPS、UV-dis、孔径分析等一系列表征。对CuS/ZnS复合材料进行了光催化降解亚甲基蓝和罗丹明B的性能测试,实验结果表明,CuS/ZnS异质结纳米线具有卓越的光催化活性,在60分钟内的降解效率达到98%。CuS/ZnS异质结纳米线中P-N异质结的形成促进了光生电子和光生空穴的分离,一维纳米线状结构、较大的比表面积以及合适的孔径分布有利于活性物质的运输传递,有效提高了光催化效率。一维CuS/ZnS异质结纳米线的光催化测试循环实验证明了CuS/ZnS具有较好的循环稳定性,ZnS的壳结构能有效抑制CuS的光腐蚀现象。通过捕获剂捕获实验确定了最重要的活性物质的种类为e-;通过UV-dis测试计算出了CuS/ZnS复合材料的禁带宽度为1.86 eV;据此提出了可能的反应的机理。(3)通过改进的Hummers法成功制备了氧化石墨,并在基础上利用简单的一锅法合成了CuS/rGO复合物。通过XRD、SEM和TEM对产物形貌进行了表征,证明了六方CuS均匀负载在石墨烯片层上,且石墨烯片层之间没有堆叠,并且石墨烯的引入限制了CuS纳米线的团聚。对合成的CuS和CuS/rGO复合物进行了吸波性能的研究,通过热重分析,测定了rGO的含量。在rGO的含量为10%时,CuS/rGO的吸波性能较CuS纳米线束就有了很大提高,在厚度为25mm范围内,均具有有效吸收(RL<-10 dB)宽,当吸收剂的厚度为4 mm时,出现了最强吸收为-13.6 dB,发生在4.91 GHz处,有效频率宽度为1.4 GHz。
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