Bi2S3納米材料的制備及其性質(zhì)研究

邱世杰 王紅宇 王天倚 王浩 何亮

摘要：Bi2S3是一種重要的半導(dǎo)體材料，它在光催化材料﹑熱電材料等方面具有很大潛力和應(yīng)用價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)以硝酸鉍為鉍源，以硫代乙酰胺為硫源，采用水熱法對(duì)Bi2S3納米材料進(jìn)行制備，在100℃條件下恒溫反應(yīng)12小時(shí)，最后得到反應(yīng)物。通過X射線衍射（XRD）對(duì)樣品進(jìn)行了表征研究，分析反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)Bi2S3形貌形成的影響。并且提出了Bi2S3未來的趨勢(shì)和展望。

關(guān)鍵詞：水熱法 硫化鉍 表征分析

一、前言

人們關(guān)于納米材料的首次設(shè)想是在20世紀(jì)50年代末期，由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主查德.費(fèi)曼教授在物理年會(huì)的演講中提出的，如果將微小顆粒按照規(guī)律排列組合，該物體最終將會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，而這種物體后來被稱為納米材料。隨后在1991年德國(guó)人Gleiter成功制備出納米材料 [1]。

Bi2S3作為納米材料的一種，是一種層狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體化合物。它屬于正交晶系，其晶格參數(shù)為：a=0.4025m，b=1.117nm，c=1.135nm。另外，它的能帶隙寬度為1.2～1.7eV。納米Bi2S3不但能夠使吸收波長(zhǎng)與熒光發(fā)射峰產(chǎn)生藍(lán)移的現(xiàn)象，同時(shí)能夠發(fā)生非線性光學(xué)響應(yīng)，而且能夠使納米粒子的氧化、還原能力加強(qiáng)，使它得到更好的光電催化能力。在光電二級(jí)管陣列、光催化材料、熱電冷卻技術(shù)和光電轉(zhuǎn)化器等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。隨著人們研究的深入，制備方法的增多，納米材料Bi2S3在各個(gè)領(lǐng)域有了顯著的成果。催化領(lǐng)域中Wu等利用熱注射技術(shù)制備點(diǎn)狀Bi2S3納米顆粒，將10mg樣品加入40ml濃度為20mg/L的羅丹明B中，反應(yīng)體系在500W水銀燈照射下經(jīng)歷2h，對(duì)羅丹明B 的降解效率就達(dá)到100%，是一種理性的光催化劑[3]。

目前關(guān)于Bi2S3制備的方式有很多種，如溶劑熱法、水熱法、回流法、高溫固相法、離子液法以及微波合成法。其中水熱法由于成本低廉，操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)受到廣大研究人員的青睞。Yu等以硝酸鉍和硫代硫酸鈉為原料，利用簡(jiǎn)單的一步水熱反應(yīng)制得單晶Bi2S3納米線，SEM觀察表明，納米線徑向尺寸均一，約為60nm，長(zhǎng)度為幾百納米到幾微米，通過改變反應(yīng)時(shí)間，還可以得到顆粒狀和棒狀Bi2S3納米顆粒[3]。

本實(shí)驗(yàn)從制備合成的角度出發(fā)，采用水熱法對(duì)Bi2S3納米材料開展相關(guān)研究。通過控制反應(yīng)參數(shù)（如時(shí)間、溫度、配比）制備Bi2S3的反應(yīng)物。

二、實(shí)驗(yàn)方法

水熱法是制備納米材料的重要方法之一，它是指在特制密封的壓力容器（反應(yīng)釜）中，以水作為反應(yīng)媒介，在高溫高壓的條件下控制納米材料的形貌合成。相對(duì)于其他的制備方法，水熱法制得的顆粒具有結(jié)晶質(zhì)量好、純度高、分散均勻、形貌可控等優(yōu)點(diǎn)。

1.用電子天平稱取0.15g硫代乙酰胺，加入10ml的去離子水，放置在電磁攪拌器中至完全溶解;

2.用電子天平稱取0.48g硝酸鉍，加入10ml的N，N-二甲基甲酰胺，放置在電磁攪拌器中至完全溶解;

3.將上述溶液進(jìn)行攪拌后轉(zhuǎn)移至80ml反應(yīng)釜中，將烤箱溫度調(diào)至100℃，并保持溫度12h。

4.將反應(yīng)完全的溶液進(jìn)行超聲和離心處理，重復(fù)操作3次，抽出試管中的清液，將得到的底層固體沉淀物置于陰涼干燥處。

三、結(jié)果與討論

圖2為通過本實(shí)驗(yàn)的水熱法合成路徑所得到的Bi2S3樣品XRD圖譜。從圖中可以看出Bi2S3結(jié)構(gòu)的衍射峰和（JCPDS NO.17-0320）的斜方晶系Bi2S3相對(duì)應(yīng)的很好，主要生長(zhǎng)方向?yàn)椋?30）、（211）、（221）、（141）、（431）、（351）方向，沒有出現(xiàn)其它的雜項(xiàng)的衍射峰。其中在29和25處出現(xiàn)了最高峰和第二高峰，其對(duì)應(yīng)的晶面為（211）和（130）。所有的衍射峰都比較尖銳，說明了在100℃下合成的Bi2S3樣品純度高、結(jié)晶性好。

四、結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以硝酸鉍和硫代乙酰胺為原料，采用水熱法成功制備出結(jié)晶良好的Bi2S3，并通過X射線衍射（XRD）對(duì)所得樣品進(jìn)行表征分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在水熱溫度100℃，水熱時(shí)間12h的條件下能夠成功制備出Bi2S3。

因?yàn)榧{米材料的性質(zhì)在很大程度上取決于納米材料的形貌和尺寸，有效的形貌控制合成就成為了納米材料制備領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。而通過控制反應(yīng)條件（如溫度、時(shí)間、配比）可以制備出不同形貌的Bi2S3，常見的形貌有納米花、納米線、納米棒、納米片等。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于Bi2S3納米材料制備取得不少的進(jìn)展，不同形貌的合成研究不是問題，但是對(duì)影響形貌的相關(guān)因素的研究需要進(jìn)一步深入了解。比如反應(yīng)原料、反應(yīng)溫度和時(shí)間、襯底等。其次著重將Bi2S3與其他材料進(jìn)行復(fù)合研究，發(fā)揮其協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)材料合成與性能的突破，這將是未來材料研究的重點(diǎn)方向之一。同時(shí)我們要做到理論成果與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，加快Bi2S3納米材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳利霞. 不同形貌硫化鉍納米材料的制備研究[D].湘潭大學(xué)，2011

[2]馬麗莎. 硫化鉍及其復(fù)合物的制備及特性研究[D].濟(jì)南大學(xué)，2015

[3]胡海霞. 納米硫化鉍材料的制備-表征及性質(zhì)研究[D].天津大學(xué)，2015

【基金項(xiàng)目】本項(xiàng)目受吉林省教育廳科學(xué)研究規(guī)劃項(xiàng)目，“可控制備貴金屬納米材料及催化性能研究”資助，項(xiàng)目編號(hào)：JJKH20200270KJ