材料类专业开放实验设计——以水热法制备空心球状MoS2光催化材料及其性能研究为例

张永兴，李 飞，张 敏，李 兵

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

1 引言

光催化技术是指半导体材料吸收一定光能后产生载流子的分离[1]，然后把有机物降解为CO2和H2O[2].MoS2的禁带宽度处在1.30eV-1.90eV之间，这样的带隙宽度非常有利于其对光子的吸收.因此，MoS2可作为催化剂使用[3,4].开放实验提供一个很好的创新平台能，它能够使学生把专业知识与实验操作充分的结合在一起.古人云：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，作为一名高校教师要时刻鼓励学生将课堂上学到的知识应用于实践.开放性实验要求学生学会独立调研和查阅文献、并设计实验方案等，然后分析和归纳实验结果与数据[5-7].通过开放实验也能够给学生普及材料的研究现状和以后的发展前景.利用开放实验平台本实验设计并制备空心球状MoS2光催化材料，同时要求学生熟练掌握简单实验仪器的操作以及材料的水热制备方法和表征方法.

2 实验部分

2.1 实验试剂

本实验所需要的化学试剂包括硫脲、钼酸铵、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、乙酸、乙酸钠、去离子水和罗丹明B(RhB).

2.2 表征方法

分别采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)表征样品的微观形貌、元素组成和晶体结构；采用比表面仪检测材料的比表面积与孔径大小、分布情况；采用紫外-可见分光光度计测定RhB浓度.

2.3 水热法制备空心球结构MoS2材料

空心球结构MoS2材料的制备过程主要包括以下步骤：准确称量0.6g钼酸铵和0.9g硫脲放到烧杯中，然后用量筒量取14mL的去离子水倒入烧杯中；室温下用磁力搅拌器搅拌20min后药品完全溶解；再量取4mL乙酸、称量3g乙酸钠加入烧杯中并使其混合均匀；最后称量0.4gCTAB放入烧杯中，待溶液混合均匀后移到高压反应釜(规格为50mL)中，在180℃的恒温条件下保持36小时后取出；倒去上清液，把沉淀转移至离心管内，高速离心多次后干燥即可.

2.4 光催化性能测试

本开放实验研究了空心球状MoS2材料的光催化性能.具体方法如下：首先对4只烧杯依次编号为1号、2号、3号和4号，并向每只烧杯中均倒入50mL RhB溶液 (浓度为49.7mg/L).再向2号、3号和4号烧杯中分别加入0.05克、0.10克和0.15克二硫化钼，使其在磁力搅拌器作用下，在黑暗的环境中达到吸附平衡.将1号、2号、3号和4号混合溶液置于紫外光(紫外灯的功率为500W，激发波长为365nm)下照射，每间隔20分钟停止照射，分别取出4只烧杯中的溶液离心获得澄清液，然后采用紫外-可见分光光度计对其浓度进行测定.

3 教学要求

本实验具体教学要求如下：

(1)要求学生充分了解MoS2材料的晶体结构、物理化学性质和MoS2的应用领域和前景.

(2)要求学生了解一些常用材料性能测试仪器，熟悉SEM、XRD、EDS和比表面积测试仪器的工作原理和简单操作，并通过对表征结果进行分析进而得出材料的形貌、晶体结构、组成成分以及比表面积和孔径尺寸大小特征；学会对待测样品光催化性能的测试，能够熟练操作紫外-可见分光光度计对RhB浓度进行标定.

(3)要求学生熟记水热法制备纳米材料的原理与特点，能够独立调研文献，设计实验思路，达到提高学生创新思维目的.通过开放实验平台在教师的指导下掌握空心球MoS2的制备方法，并能够对其测试结果进行深入分析.

4 实验结果分析

4.1 微观形貌表征和元素成分分析结果

图1 (a)和(b)分别是样品的低倍与高倍SEM图片[8]

图1(a)、(b)分别为样品的低倍与高倍的SEM图片，从图1(a)中可以清楚地看到样品的微观形貌均为球状，颗粒大小均匀，大致在2-4μm；其中，部分球状结构呈现出开口状.图1(b)为单个开口状的微球结构，可以看出其内部空腔直径大约为3μm.这些SEM图片表征结果证明了所制备的MoS2材料呈空心球状.

图2 (a)和(b)分别为样品的EDS图谱与X射线衍射图谱(XRD)[8]

图2(a)为样品的EDS分析测试结果，从图中可以看出该样品中只有硫元素和钼元素两种；此外，根据该图谱发现样品含有钼和硫元素的原子比为2:1，符合MoS2的化学计量比，因此，可以初步确定该样品为MoS2.图2(b)为样品的X射线衍射仪(XRD)图谱，该图谱的衍射峰弱且宽化，说明样品的结晶性较差.在衍射角为 2θ=14°、32°、40°和 58°附近时，与之相对的晶面指数分别为(002)、(100)、(103)和(008).分析结果和2H-MoS2标准衍射卡片PDF#75-1539相吻合，进一步证明了所制备的样品为MoS2.

4.2 比表面积与孔径大小、分布分析结果

图3 (a)微纳米空心球状MoS2的吸附-脱附等温曲线(b)孔径大小、分布曲线[8]

在光催化反应中，影响纳米材料性能的主要因素是材料的比表面积、孔径大小和分布情况.图3(a)是微纳米空心球状MoS2的吸附-脱附等温曲线，等温曲线显示该二硫化钼的比表面积为25.54m2/g，孔容为0.188cm3/g.图3(b)是MoS2材料的孔径大小、分布曲线，由图可知MoS2的孔径大小集聚在10-240nm之间不等，大多数孔径集中在50nm附近，其孔径平均值是29.5nm，结果说明其介孔结构参差不齐，大小不一.具有微纳米空心球特殊结构MoS2所拥有较大的比表面积和适宜的孔径大小、分布将有利于其对有机物光催化降解的能力.

4.3 光催化性能测试分析结果

图4 (a)空心球状MoS2降解RhB的光催化曲线图 (b)光照60min时投放质量不一样的MoS2对RhB的降解率分析结果[8]

图4为空心球状MoS2光催化性能测试分析结果.图4(a)中显示：在未加MoS2时，RhB基本没有被分解，当MoS2的用量从0.05g增加到0.15g时，RhB的降解率依次提高.降解率提高的原因在于随着MoS2的增加，加大了催化剂与RhB分子的接触面，以及微纳米空心球状MoS2对紫外光的多次反射提高了对光能的利用率(如图4(b)中插图所示).图4(b)中显示的是光催化测试进行60min时，1号、2号、3号、4号烧杯中RhB的降解率，依次是2.2%、28.6%、84.1%、95.6%.其中4号组的降解率是1号组的43.5倍，是2号组的3.3倍，是3号组的1.1倍.因此可以得出催化剂的用量多少和材料的微观结构，对污染物的降解率提高有着重要的影响.

5 结束语

本开放实验是学生掌握和了解一定的专业知识的前提下开展的，学生应该时刻铭记理论应与实践结合的重要性.实验开展前要求学生到图书馆或者互联网上了解相关知识、查找相关文献了解科研前沿，之后需要学生自主思考，独立设计实验方案、实验步骤以及最后完成对实验结果进行分析，探索实验过程中影响实验结果的变量条件.通过这次开放实验学生应该学会水热法制备纳米材料的原理与具体操作方法；了解SEM、XRD和EDS等常用材料性能表征方法，并能够对表征结果做出正确深入的分析；熟悉测试待测样品光催化性能的实验过程等.开放实验可以普及学生对材料专业知识的了解，提高学生的动手操作能力和拓展学生的创新创造思维.

〔1〕 刘楠.硅/有机半导体复合光电材料与器件的研究[D].浙江大学,2008.

〔2〕 高岳君,许宜铭.氟离子掺杂和吸附对二氧化钛光催化活性的影响[J].物理化学学报,2012,28(3):641-646.

〔3〕 王谭源,申兰耀,左自成,等.二硫化钼二维材料的研究与应用进展[J].新材料产业,2016(2):54-57.

〔4〕 赵潇璇,刘艳茹,董斌,等.纳米二硫化钼的化学法合成研究进展[J].材料导报,2013,27(23):60-65.

〔5〕 张永兴,李汗,李佳,等.水热法制备球中球状MoS2光催化材料开放实验设计[J].赤峰学院学报(自然科学版),2017,33(10):46-48.

〔6〕 龙丽芳,郑永良.高校开放式实验教学管理模式探讨[J].教育教学论坛,2015(36):241-242.

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