MoS2/g-C3N4 纳米催化剂的制备及其催化性能研究

周宣伯 李秀梅 黄艳菊 于洋

（通化师范学院，吉林 通化 134001）

近年来，随着我国经济的快速发展，如何治理环境和保证现有环境不被污染是我们现在面临的重大问题，废水处理技术作为当今消除环境污染物的主要手段，备受人们的关注。当前，光催化降解是解决废水污染物最具前景的方法之一。过去几年，许多光催化剂被开发出来，但由于其在光催化反应系统中存在可见光吸收能力低、对人类健康和环境有害等缺点，大大限制了这些光催化剂在实际中的应用。因此该技术的关键是寻找一种低成本、高效率，绿色环保的光催化剂。g-C3N4作为一种非金属有机半导体材料，其化学性质稳定，与大多数半导体材料相比具有无毒无害且廉价易得的优点，成为光催化领域中的热点材料。然而，纯相g-C3N4仍存在许多不足之处，例如比表面积低，光生电子和空穴的复合率高等。将纯相g-C3N4与其他辅助催化剂相结合是提高光催化效率的一种重要方法。2017 年，Jin 等人采用水热方法成功地合成了不同重量比的g-C3N4/Ag2MoO4纳米复合材料，实验结果表明，当两者重量比为80%时，纳米复合材料具有最佳的光催化性能，是单纯g-C3N4催化性能的3.92 倍。Li 课题组采用光辅助方法成功地合成了界面紧密结合的II 型异质结构g-C3N4/ZnO 纳米棒阵列，用于光催化制氢领域。

二维纳米材料MoS2作为当今最有前途的半导体光催化剂之一，不仅成本低，而且具有较大的比表面积、复杂的边缘结构和高度不饱和的性能，在光催化剂、超级电容器和传感器等方面也有着广阔的应用前景。报道研究显示，MoS2可以结合半导体形成异质结结构加速光催化析氢，在光催化中具有重要意义。g-C3N4和MoS2的有效结合对于电子的快速转移至关重要，理想的g-C3N4/MoS2光催化剂在很大程度上取决于它们的制备方法。近年来，越来越多的MoS2与g-C3N4复合材料被成功合成，并将其应用在能源、催化等领域。2019 年，吴等人通过水热方法在g-C3N4上成功地原位生长了MoS2纳米片，当MoS2纳米片的厚度小于10nm，可以提高光降解过程中光产生电荷的传输速率。且g-C3N4和MoS2之间形成的异质结界面，显著提高了催化剂的稳定性。

本论文通过简单的水热方法将MoS2与g-C3N4复合，并将其应用于光催化降解领域。水热后g-C3N4形貌发生改变，由块状转变为纳米管状。且MoS2纳米花紧密地结合在g-C3N4纳米管表面，二者紧密结合，有利于光生电子和空穴的有效转移。最后，在可见光照射下催化降解污染物甲基橙(MO)，对所制备纳米材料的光催化活性进行评估。

一、实验部分

（一）纯相g-C3N4 的制备：

利用热聚合三聚氰胺的方法合成了体相g-C3N4。方法如下：将5g三聚氰胺放入坩埚中，在马弗炉中于500°C 和520°C 下分别煅烧2h，将所得样品冷却至室温，研磨，所得到的淡黄色粉末记为g-C3N4。

（二）MoS2/g-C3N4 样品的制备：

通过水热法制备MoS2/g-C3N4纳米催化剂，具体步骤如下：将0.05g g-C3N4粉末加入20mL 蒸馏水中，超声，向其中加入0.394g Na2MoO4·2H2O，搅拌半小时，用离心机离心，然后用蒸馏水、乙醇清洗所得样品，接着将得到的样品溶于20mL蒸馏水中，加入0.1g硫代乙酰胺(TAA)，搅拌1h，最后置于反应釜中，于180°C 下反应18h，所得样品记为MoS2/g-C3N4纳米催化剂。为了进行对比，在不加入钼酸钠和硫代乙酰胺的情况下，直接将g-C3N4粉末置于反应釜中于180°C 下反应18h。

二、结果与讨论

（一）结构与形貌分析

为了证明样品被成功制备，通过XRD 考察了样品的晶相结构。图1 为g-C3N4及MoS2/g-C3N4样品的XRD 谱图，位于13.1°和27.6°处展示出两个衍射峰，这两个衍射峰分别归属于纯相g-C3N4结构的平面内衍射峰和层间衍射峰。然而，从纳米复合物MoS2/g-C3N4的XRD 图谱中并没有观察到明显MoS2的衍射峰，这是由于在所合成的纳米材料中MoS2的含量较低，且MoS2在g-C3N4表面分散性良好所致的。

纯相g-C3N4直接水热的TEM 照片如图2A 所示，从图中可以看出水热后的g-C3N4具有均匀的纳米管状结构。图2B 为单纯MoS2样品的TEM 照片，可见利用水热法合成出了粒径均匀的MoS2纳米花，由图2B 右下角放大的电镜照片也可以清晰的看到MoS2是由诸多纳米片堆成的纳米花状结构。所制备的复合材料MoS2/g-C3N4的透射电镜照片如图2C-D 所示，可见MoS2纳米花包裹在g-C3N4纳米管表面，二者紧密结合，这对其光催化性能的提高是十分有益的。

（二）MoS2/g-C3N4 的光催化活性测试分析

g-C3N4和MoS2/g-C3N4纳米催化剂在可见光照射下降解污染物MO 的C/C0 与时间的变化关系如图3 所示，照射时间为40min 时，纯相g-C3N4对污染物MO 的降解效率不大。然而在MoS2/g-C3N4纳米复合催化剂存在的反应系统中，污染物MO 几乎被完全降解。当可见光照射40min 时，MoS2/g-C3N4对污染物MO 的催化降解效率高达98.6%。纳米复合催化剂具有优异的光催化性能主要归因于MoS2与g-C3N4紧密结合，促进电子和空穴的有效转移，使复合物的催化性能提升。

三、结论

通过采用水热法成功合成了MoS2/g-C3N4光催化剂，其降解污染物MO 的效率高达98.6%，这是由于所形成的纳米复合物中MoS2纳米花紧密地包裹在g-C3N4纳米管表面，二者紧密结合，有利于光生电子和空穴的快速转移，从而提高了纳米催化剂的光催化活性。当前，MoS2和g-C3N4纳米催化剂在光催化领域的应用及研究相对较少，所以开发出同类型纳米复合材料，并将其应用于光催化降解领域尤为重要。新型MoS2/g-C3N4复合材料作为高效光催化剂，可作为一种极具前景的环境应用材料，且二次污染小，成本较低。