[发明专利]一种二硫化钼量子点/二氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种二维结构的MoS₂ QDs/（001）TiO₂纳米片复合光催化剂的制备方法及其应用，该复合光催化剂是以水热合成法分别制备的出二维（001）TiO₂纳米片和MoS₂量子点，然后通过自组装的方法在二维（001）TiO₂纳米片中引入MoS₂量子点，从而构建出二维结构的MoS₂ QDs/（001）TiO₂纳米片复合光催化剂。本发明所得复合光催化剂在模拟太阳光的作用下展现出优异的降解有机污染物罗丹明B（RhB）的性能，且其制备方法简单，易于操作，适合推广应用。

技术领域

本发明属于光催化材料制备技术领域，具体涉及一种MoS₂ QDs/（001）TiO₂纳米片复合光催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

能源和环境问题是目前全世界人们迫切需要解决的两大问题。现今，半导体光催化技术被认为是解决能源和环境危机最有发展前景的技术之一。半导体光催化技术主要是利用太阳能转化成化学能，涉及的主要反应有光催化分解水制氢和制氧气、还原温室气体二氧化碳和分解有机污染物，是一种绿色、安全和无污染的技术。自1972年首次发现半导体TiO₂单晶光电极在紫外线的作用下将水分解成氢气和氧气以来，光催化已经成为一门新兴学科，受到国内外各个领域研究者的青睐。然而，迄今为止由于光催化材料的限制，光催化技术尚未实现大规模商业化。所以，开发出高效、稳定和低廉的光催化系统，是当前和未来光催化研究的最前沿及最核心的问题之一。

二氧化钛（TiO₂）光催化剂因其成本低、化学稳定性高、无毒和催化活性高引起众多科学研究者的广泛关注。与传统的（101）晶面的TiO₂材料相比，暴露（001）晶面的二氧化钛纳米片由于其具有更高的表面能和吸附能力，展现出更优异的光催化性能。但是，由于TiO₂的禁带宽度较大，只能利用太阳光谱中4%左右的紫外光区域，并且它的光生载流子的复合率高，导致了其太阳能利用率和量子效率低，限制了其应用。目前已经有很多改性的方法，像掺杂、敏化、半导体复合和助催化剂耦合等，这些方法能显著地提高二氧化钛的光催化活性。在这些方法中，助催化剂修饰不仅仅能够降低TiO₂基体反应的活化能，还能够提供更多的活性位点参与反应，以此来提高光生载流子的分离和转移效率，从而进一步提高光催化剂的活性。因此，利用助催化剂进行半导体材料的改性是一种非常有效的方法。然而，现在大多数助催化剂还是以贵金属为主，但其昂贵的价格让人望而却步，限制了其应用。所以说，寻找一种高效廉价的助催化剂替代贵金属去修饰光催化剂提高其光催化反应效率是迫切需要的。

过渡金属硫化钼（MoS₂）被认为是取代贵金属最有前途的一类助催化剂。MoS₂结构中的S-Mo-S基团会在边缘产生不饱和的Mo和S原子，而它们将作为活性位点应用在光催化反应中，这就有利于光催化效率的提高。在众多不同MoS₂形貌中，由于量子点（QDs）具有更小的比表面积，会导致MoS₂产生更多的活性位点，更有利于光催化反应的进行。Gao等人（Appl. Catal. B: Environ., 2017, 210: 45-56）就制备了MoS₂量子点、石墨烯和MOF材料的复合光催化剂，由于MoS₂量子点的引入，显著地提高其光催化制氢效率。Wang等人（ChemSusChem, 2018, 11(10): 1708-1721.）制备了MoS₂量子点与TiO₂纳米管的复合光催化剂，展示了高效的光催化产氢活性。这些研究结果表明，以过渡金属硫化物MoS₂为助催化剂，尤其是利用量子点的特性，能显著地提高光催化反应的效率。因此，本发明充分利用MoS₂量子点助催化剂的优势，引入到暴露面（001）TiO₂上，有望得到高效的光催化剂。

发明内容