Bi2S3纳米材料的制备及其性质研究

邱世杰 王红宇 王天倚 王浩 何亮

摘要：Bi2S3是一种重要的半导体材料，它在光催化材料﹑热电材料等方面具有很大潜力和应用价值。本实验以硝酸铋为铋源，以硫代乙酰胺为硫源，采用水热法对Bi2S3纳米材料进行制备，在100℃条件下恒温反应12小时，最后得到反应物。通过X射线衍射（XRD）对样品进行了表征研究，分析反应温度和时间对Bi2S3形貌形成的影响。并且提出了Bi2S3未来的趋势和展望。

关键词：水热法 硫化铋 表征分析

一、前言

人们关于纳米材料的首次设想是在20世纪50年代末期，由诺贝尔物理学奖得主查德.费曼教授在物理年会的演讲中提出的，如果将微小颗粒按照规律排列组合，该物体最终将会表现出独特的性质，而这种物体后来被称为纳米材料。随后在1991年德国人Gleiter成功制备出纳米材料 [1]。

Bi2S3作为纳米材料的一种，是一种层状结构的半导体化合物。它属于正交晶系，其晶格参数为：a=0.4025m，b=1.117nm，c=1.135nm。另外，它的能带隙宽度为1.2～1.7eV。纳米Bi2S3不但能够使吸收波长与荧光发射峰产生蓝移的现象，同时能够发生非线性光学响应，而且能够使纳米粒子的氧化、还原能力加强，使它得到更好的光电催化能力。在光电二级管阵列、光催化材料、热电冷却技术和光电转化器等方面有着广阔的应用前景[2]。随着人们研究的深入，制备方法的增多，纳米材料Bi2S3在各个领域有了显著的成果。催化领域中Wu等利用热注射技术制备点状Bi2S3纳米颗粒，将10mg样品加入40ml浓度为20mg/L的罗丹明B中，反应体系在500W水银灯照射下经历2h，对罗丹明B 的降解效率就达到100%，是一种理性的光催化剂[3]。

目前关于Bi2S3制备的方式有很多种，如溶剂热法、水热法、回流法、高温固相法、离子液法以及微波合成法。其中水热法由于成本低廉，操作简单、环境友好等优点受到广大研究人员的青睐。Yu等以硝酸铋和硫代硫酸钠为原料，利用简单的一步水热反应制得单晶Bi2S3纳米线，SEM观察表明，纳米线径向尺寸均一，约为60nm，长度为几百纳米到几微米，通过改变反应时间，还可以得到颗粒状和棒状Bi2S3纳米颗粒[3]。

本实验从制备合成的角度出发，采用水热法对Bi2S3纳米材料开展相关研究。通过控制反应参数（如时间、温度、配比）制备Bi2S3的反应物。

二、实验方法

水热法是制备纳米材料的重要方法之一，它是指在特制密封的压力容器（反应釜）中，以水作为反应媒介，在高温高压的条件下控制纳米材料的形貌合成。相对于其他的制备方法，水热法制得的颗粒具有结晶质量好、纯度高、分散均匀、形貌可控等优点。

1.用电子天平称取0.15g硫代乙酰胺，加入10ml的去离子水，放置在电磁搅拌器中至完全溶解;

2.用电子天平称取0.48g硝酸铋，加入10ml的N，N-二甲基甲酰胺，放置在电磁搅拌器中至完全溶解;

3.将上述溶液进行搅拌后转移至80ml反应釜中，将烤箱温度调至100℃，并保持温度12h。

4.将反应完全的溶液进行超声和离心处理，重复操作3次，抽出试管中的清液，将得到的底層固体沉淀物置于阴凉干燥处。

三、结果与讨论

图2为通过本实验的水热法合成路径所得到的Bi2S3样品XRD图谱。从图中可以看出Bi2S3结构的衍射峰和（JCPDS NO.17-0320）的斜方晶系Bi2S3相对应的很好，主要生长方向为（130）、（211）、（221）、（141）、（431）、（351）方向，没有出现其它的杂项的衍射峰。其中在29和25处出现了最高峰和第二高峰，其对应的晶面为（211）和（130）。所有的衍射峰都比较尖锐，说明了在100℃下合成的Bi2S3样品纯度高、结晶性好。

四、结论

本实验以硝酸铋和硫代乙酰胺为原料，采用水热法成功制备出结晶良好的Bi2S3，并通过X射线衍射（XRD）对所得样品进行表征分析。实验结果证明了在水热温度100℃，水热时间12h的条件下能够成功制备出Bi2S3。

因为纳米材料的性质在很大程度上取决于纳米材料的形貌和尺寸，有效的形貌控制合成就成为了纳米材料制备领域的研究重点。而通过控制反应条件（如温度、时间、配比）可以制备出不同形貌的Bi2S3，常见的形貌有纳米花、纳米线、纳米棒、纳米片等。目前国内外关于Bi2S3纳米材料制备取得不少的进展，不同形貌的合成研究不是问题，但是对影响形貌的相关因素的研究需要进一步深入了解。比如反应原料、反应温度和时间、衬底等。其次着重将Bi2S3与其他材料进行复合研究，发挥其协同效应，实现材料合成与性能的突破，这将是未来材料研究的重点方向之一。同时我们要做到理论成果与实际应用相结合，加快Bi2S3纳米材料的产业化进程。

参考文献：

[1]陈利霞. 不同形貌硫化铋纳米材料的制备研究[D].湘潭大学，2011

[2]马丽莎. 硫化铋及其复合物的制备及特性研究[D].济南大学，2015

[3]胡海霞. 纳米硫化铋材料的制备-表征及性质研究[D].天津大学，2015

【基金项目】本项目受吉林省教育厅科学研究规划项目，“可控制备贵金属纳米材料及催化性能研究”资助，项目编号：JJKH20200270KJ