張永興，李 飛，張 敏，李 兵

（淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000）

1 引言

光催化技術(shù)是指半導(dǎo)體材料吸收一定光能后產(chǎn)生載流子的分離[1]，然后把有機物降解為CO2和H2O[2].MoS2的禁帶寬度處在1.30eV-1.90eV之間，這樣的帶隙寬度非常有利于其對光子的吸收.因此，MoS2可作為催化劑使用[3,4].開放實驗提供一個很好的創(chuàng)新平臺能，它能夠使學(xué)生把專業(yè)知識與實驗操作充分的結(jié)合在一起.古人云：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，作為一名高校教師要時刻鼓勵學(xué)生將課堂上學(xué)到的知識應(yīng)用于實踐.開放性實驗要求學(xué)生學(xué)會獨立調(diào)研和查閱文獻、并設(shè)計實驗方案等，然后分析和歸納實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)[5-7].通過開放實驗也能夠給學(xué)生普及材料的研究現(xiàn)狀和以后的發(fā)展前景.利用開放實驗平臺本實驗設(shè)計并制備空心球狀MoS2光催化材料，同時要求學(xué)生熟練掌握簡單實驗儀器的操作以及材料的水熱制備方法和表征方法.

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

本實驗所需要的化學(xué)試劑包括硫脲、鉬酸銨、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、乙酸、乙酸鈉、去離子水和羅丹明B(RhB).

2.2 表征方法

分別采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和X射線衍射(XRD)表征樣品的微觀形貌、元素組成和晶體結(jié)構(gòu)；采用比表面儀檢測材料的比表面積與孔徑大小、分布情況；采用紫外-可見分光光度計測定RhB濃度.

2.3 水熱法制備空心球結(jié)構(gòu)MoS2材料

空心球結(jié)構(gòu)MoS2材料的制備過程主要包括以下步驟：準(zhǔn)確稱量0.6g鉬酸銨和0.9g硫脲放到燒杯中，然后用量筒量取14mL的去離子水倒入燒杯中；室溫下用磁力攪拌器攪拌20min后藥品完全溶解；再量取4mL乙酸、稱量3g乙酸鈉加入燒杯中并使其混合均勻；最后稱量0.4gCTAB放入燒杯中，待溶液混合均勻后移到高壓反應(yīng)釜(規(guī)格為50mL)中，在180℃的恒溫條件下保持36小時后取出；倒去上清液，把沉淀轉(zhuǎn)移至離心管內(nèi)，高速離心多次后干燥即可.

2.4 光催化性能測試

本開放實驗研究了空心球狀MoS2材料的光催化性能.具體方法如下：首先對4只燒杯依次編號為1號、2號、3號和4號，并向每只燒杯中均倒入50mL RhB溶液 (濃度為49.7mg/L).再向2號、3號和4號燒杯中分別加入0.05克、0.10克和0.15克二硫化鉬，使其在磁力攪拌器作用下，在黑暗的環(huán)境中達到吸附平衡.將1號、2號、3號和4號混合溶液置于紫外光(紫外燈的功率為500W，激發(fā)波長為365nm)下照射，每間隔20分鐘停止照射，分別取出4只燒杯中的溶液離心獲得澄清液，然后采用紫外-可見分光光度計對其濃度進行測定.

3 教學(xué)要求

本實驗具體教學(xué)要求如下：

(1)要求學(xué)生充分了解MoS2材料的晶體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和MoS2的應(yīng)用領(lǐng)域和前景.

(2)要求學(xué)生了解一些常用材料性能測試儀器，熟悉SEM、XRD、EDS和比表面積測試儀器的工作原理和簡單操作，并通過對表征結(jié)果進行分析進而得出材料的形貌、晶體結(jié)構(gòu)、組成成分以及比表面積和孔徑尺寸大小特征；學(xué)會對待測樣品光催化性能的測試，能夠熟練操作紫外-可見分光光度計對RhB濃度進行標(biāo)定.

(3)要求學(xué)生熟記水熱法制備納米材料的原理與特點，能夠獨立調(diào)研文獻，設(shè)計實驗思路，達到提高學(xué)生創(chuàng)新思維目的.通過開放實驗平臺在教師的指導(dǎo)下掌握空心球MoS2的制備方法，并能夠?qū)ζ錅y試結(jié)果進行深入分析.

4 實驗結(jié)果分析

4.1 微觀形貌表征和元素成分分析結(jié)果

圖1 (a)和(b)分別是樣品的低倍與高倍SEM圖片[8]

圖1(a)、(b)分別為樣品的低倍與高倍的SEM圖片，從圖1(a)中可以清楚地看到樣品的微觀形貌均為球狀，顆粒大小均勻，大致在2-4μm；其中，部分球狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出開口狀.圖1(b)為單個開口狀的微球結(jié)構(gòu)，可以看出其內(nèi)部空腔直徑大約為3μm.這些SEM圖片表征結(jié)果證明了所制備的MoS2材料呈空心球狀.

圖2 (a)和(b)分別為樣品的EDS圖譜與X射線衍射圖譜(XRD)[8]

圖2(a)為樣品的EDS分析測試結(jié)果，從圖中可以看出該樣品中只有硫元素和鉬元素兩種；此外，根據(jù)該圖譜發(fā)現(xiàn)樣品含有鉬和硫元素的原子比為2:1，符合MoS2的化學(xué)計量比，因此，可以初步確定該樣品為MoS2.圖2(b)為樣品的X射線衍射儀(XRD)圖譜，該圖譜的衍射峰弱且寬化，說明樣品的結(jié)晶性較差.在衍射角為 2θ=14°、32°、40°和 58°附近時，與之相對的晶面指數(shù)分別為(002)、(100)、(103)和(008).分析結(jié)果和2H-MoS2標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片PDF#75-1539相吻合，進一步證明了所制備的樣品為MoS2.

4.2 比表面積與孔徑大小、分布分析結(jié)果

圖3 (a)微納米空心球狀MoS2的吸附-脫附等溫曲線(b)孔徑大小、分布曲線[8]

在光催化反應(yīng)中，影響納米材料性能的主要因素是材料的比表面積、孔徑大小和分布情況.圖3(a)是微納米空心球狀MoS2的吸附-脫附等溫曲線，等溫曲線顯示該二硫化鉬的比表面積為25.54m2/g，孔容為0.188cm3/g.圖3(b)是MoS2材料的孔徑大小、分布曲線，由圖可知MoS2的孔徑大小集聚在10-240nm之間不等，大多數(shù)孔徑集中在50nm附近，其孔徑平均值是29.5nm，結(jié)果說明其介孔結(jié)構(gòu)參差不齊，大小不一.具有微納米空心球特殊結(jié)構(gòu)MoS2所擁有較大的比表面積和適宜的孔徑大小、分布將有利于其對有機物光催化降解的能力.

4.3 光催化性能測試分析結(jié)果

圖4 (a)空心球狀MoS2降解RhB的光催化曲線圖 (b)光照60min時投放質(zhì)量不一樣的MoS2對RhB的降解率分析結(jié)果[8]

圖4為空心球狀MoS2光催化性能測試分析結(jié)果.圖4(a)中顯示：在未加MoS2時，RhB基本沒有被分解，當(dāng)MoS2的用量從0.05g增加到0.15g時，RhB的降解率依次提高.降解率提高的原因在于隨著MoS2的增加，加大了催化劑與RhB分子的接觸面，以及微納米空心球狀MoS2對紫外光的多次反射提高了對光能的利用率(如圖4(b)中插圖所示).圖4(b)中顯示的是光催化測試進行60min時，1號、2號、3號、4號燒杯中RhB的降解率，依次是2.2%、28.6%、84.1%、95.6%.其中4號組的降解率是1號組的43.5倍，是2號組的3.3倍，是3號組的1.1倍.因此可以得出催化劑的用量多少和材料的微觀結(jié)構(gòu)，對污染物的降解率提高有著重要的影響.

5 結(jié)束語

本開放實驗是學(xué)生掌握和了解一定的專業(yè)知識的前提下開展的，學(xué)生應(yīng)該時刻銘記理論應(yīng)與實踐結(jié)合的重要性.實驗開展前要求學(xué)生到圖書館或者互聯(lián)網(wǎng)上了解相關(guān)知識、查找相關(guān)文獻了解科研前沿，之后需要學(xué)生自主思考，獨立設(shè)計實驗方案、實驗步驟以及最后完成對實驗結(jié)果進行分析，探索實驗過程中影響實驗結(jié)果的變量條件.通過這次開放實驗學(xué)生應(yīng)該學(xué)會水熱法制備納米材料的原理與具體操作方法；了解SEM、XRD和EDS等常用材料性能表征方法，并能夠?qū)Ρ碚鹘Y(jié)果做出正確深入的分析；熟悉測試待測樣品光催化性能的實驗過程等.開放實驗可以普及學(xué)生對材料專業(yè)知識的了解，提高學(xué)生的動手操作能力和拓展學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造思維.

〔1〕 劉楠.硅/有機半導(dǎo)體復(fù)合光電材料與器件的研究[D].浙江大學(xué),2008.

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