层状mos2-cu2o复合半导体的制备及其光催化性能研究

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1、层状MoS2/Cu2O复合半导体的制备及其光催化性能研究第一章绪论1.1引言纳米材料的迅猛发展和广泛应用使得现代科技发展进入快车道，并深刻改变着我们周围的生活、生产方式，如纳米耐火耐热材料、纳米生物医用材料、纳米半导体薄膜、纳米高性能陶瓷、纳米压敏压电材料等。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围1-100nm或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料区别于宏观物质具有表面效应、界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，这使得它展现出许多奇特的物理化学性质，即光学、电学、力学、热学

2、、磁学、催化特性等区别于宏观物质具有极大的不同，被广泛应用于各个方面[1]。........1.2二硫化钼的晶体结构与性质石墨烯独特的物理和化学性质让人们开始关注和研究其他二维层状材料，包括h-BN、过渡金属二硫属化合物（TMD）、过渡金属氧化物（TMO）和钙钛矿化合物等。近年来，过渡金属二硫属化合物凭借其性质的多样性和应用的广泛性，到人们越来越多的关注和研究。例如HfS2为绝缘体，MoS2、oS2、D材料的化学通式为MX2，M为第4至第10族的过渡金属元素，X为S，Se，Te的硫族元素[2]。在TMD

3、材料中,MoS2不仅在电子器件、光学器件、储氢材料、固体润滑剂、催化剂、能量存储领域具有潜在的应用价值,而且储量丰富、价格低廉,具备工业化生产的可能性,因此二维MoS2纳米材料成为近年来研究比较深入的层状材料[3][4]。MoS2是一种黑灰色固体粉末，具有金属光泽，良好的触摸光滑感，抗磁性和半导体性质的化合物，与石墨相似，属于六方晶系或斜方晶系。它的化学性质稳定,不溶于水、稀酸、碱和有机溶剂中,只溶于王水、热浓硫酸。密度4.80g/cm3（14℃下），莫氏硬度1.0～1.5，热稳定性良好，二硫化钼熔点1

4、185℃，1370℃开始分解，1600℃分解为金属钼和硫。315℃在空气中加热时开始被氧化，温度升高，氧化反应加快。MoS2在自然界中储量巨大，主要以辉钼矿的形式存在。单层MoS2是由中间过渡金属Mo原子层被上下两层的S原子层所夹,形成类似于三明治的结构，厚度为0.65nm,如图1-1（a）[5]。其中S原子和Mo原子是通过共价键结合的，形成了比较稳定的化学结构，每个钼原子和被六个硫原子键合，形成三棱柱配位结构，每个硫原子被三个钼原子围绕，形成三棱锥型配位结构。.........第二章半导体光催化原理2

5、.1引言光催化反应是利用光能进行物质转化的一种方式，是光和物质之间相互作用的多种方式之一，是物质在光和催化剂同时作用下所进行的化学反应，是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。半导体材料在紫外及可见光照射下，将光能转化为化学能，并促进有机物的合成与分解，这一过程称为光催化。当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发到导带(CB)形成光生载流子(电子-空穴对)。价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时，吸收的光能因

6、为载流子复合而以热的形式耗散[47]。光催化反应可以分为两类降低能垒(doiddot;O2-、HO2OH等活性基团。光催化分解水生成H2和O2以及光催化有机合成则是高能垒反应，该类反应的△G>0，此类反应将光能转化为化学能，类似于自然界的光合作用[48]。.........2.2半导体能级结构和光催化原理半导体材料之所以具有光催化特性,是由它的能带结构所决定。当孤立的原子结合在一起形成固体时，由量子力学的泡利不相容原理可知，孤立原子的能级必然产生分裂，相互极为接近的大量分裂能级最终成为一个连续的能

7、带。绝缘体原子中的电子是满壳层分布的，价电子刚好填满了许可的能带，形成满带，导带和价带之间存在一个很宽的禁带，在一般情况下，价带之上的能带没有电子，所以在电场的作用下没有电流产生。导体中的一系列能带中除了电子填充满的能带（满带）以外，还有只是部分被电子填充的能带，后者起着导电作用。对于半导体而言，电子填满了一些能量较低的能带，称为满带，最上面的满带称为价带；价带上面有一系列空带，最下面的空带称为导带，如图2-1。价带和导带之间存在着一个不存在电子状态的带隙，称为禁带。绝缘体的禁带宽度较宽，一般大于5eV

8、，价带电子不能跃迁到导带。而半导体的禁带宽度较窄，光子能量恰好满足跃迁禁带所需要的能量，所以光催化一般都发生在半导体身上。半导体的能带结构又分直接带隙结构和间接带隙结构。直接带隙结构的导带底和价带顶在布里渊区k空间同一位置，光生电子在从价带顶向导带底跃迁时，只需满足能量条件，吸收一个对应能量的光子。而间接带隙结构的导带底和价带顶不在k空间同一位置，光生电子在从价带顶向导带底跃迁时，不仅要满足能量条件吸收一个对应能量的光子，还要吸收一个声子满