黃正喜，杜 鍇，胡振龍

(中南民族大學 化學與材料科學學院, 武漢 430074)

Ⅱ-Ⅵ型半導體材料由于量子限域效應、尺寸效應、介電限域效應、宏觀量子隧道效應和表面效應而具有特殊的光電性質，在光電池[1]、光催化制氫[2,3]、光催化降解[4,5]以及熒光檢測[6]等方面有著廣泛的應用. CdS為Ⅱ-Ⅵ型半導體重要材料之一，其禁帶寬度為2.4 eV，具有較寬的可見光響應區(qū)間，在可見光條件下表現(xiàn)出較好的催化活性. 以太陽光為光源，CdS對苯胺的光催化降解行為的研究[7]表明，CdS是一種具有較高催化活性的催化劑.簇形和花形CdS納米結構對甲基橙的光催化降解研究[8]表明，花形CdS納米結構由于具有較大比表面積，其光催化活性優(yōu)于其它的CdS材料.

目前，CdS納米粒子的制備方法主要有溶膠-凝膠法[9,10]、水熱及溶劑熱法[11-13]、模板法[3,14]、微乳液法[15]、沉淀法[16]等.其中，沉淀法具有操作簡單、對反應溫度要求不高、原材料成本低及產品純度高等優(yōu)點.本文以沉淀法在水相中制備出CdS納米顆粒，用X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)對其進行表征，并以羅丹明B的可見光降解反應作為探針反應探討其催化活性.

1 實驗部分

1.1 試劑及主要儀器

氯化鎘CdCl2·5H2O(AR 天津東大化工廠)，硫代氨基脲CH5N3S(CP 國藥)，乙醇(AR 國藥)，3 mol·L-1NaOH水溶液，5 mol·L-1羅丹明B水溶液，實驗用水均為二次蒸餾水.

D8 ADVANCE型X-射線衍射儀(德國 Bruker)，VG Multilab 2000型X-射線光電子能譜儀(美國 Thermal Electron)，S570 掃描電子顯微鏡(日本Hitachi)，Tecnai G 20型透射電子顯微鏡(荷蘭 FEI)，Lambda Bio35型雙光束紫外-可見分光光度計(美國 PE).

1.2 CdS納米粒子的制備

用3 mol·L-1NaOH溶液調節(jié)氯化鎘溶液(0.05 mol·L-1)pH至12，移至三頸瓶中，通入氮氣10 min后，加入0.05 mol·L-1硫代氨基脲溶液，于80 ℃反應數(shù)小時后停止反應.將所得溶液分別用蒸餾水、乙醇洗滌數(shù)次，離心分離，于60 ℃真空干燥4 h，備用.

1.3 光降解羅丹明B

向容器內加入5 mol·L-1羅丹明B溶液50 mL，一定量的CdS納米粒子，置于暗箱中攪拌2 h，以達到吸附脫附平衡.以氙燈作為光源，模擬可見光進行光催化降解反應，每隔30 min取樣，離心，取上層清液用于UV-Vis分光光度計測其吸光度.

2 結果與討論

2.1 樣品的表征

圖1為樣品的XRD譜圖. 由圖1可知，該樣品無明顯的雜峰，在2θ=26.6°，44.1°，52.1°附近出現(xiàn)了對應的特征峰， 與方硫鎘礦立方相結構(JCPDS No.42-1411)相符合，其晶面分別為(111)，(220)，(311). 文獻[17]表明，立方相結構較六方相結構的催化活性高.根據(jù)Scherrer公式可得，樣品的平均粒徑約為20 nm.

2θ/(°)

圖2為樣品的XPS譜圖.由圖2(a)可見, 除C、O、S、Cd等元素特征能譜峰外，無其他元素能譜峰，表明樣品有較高的純度； 圖2(b)為Cd的3d軌道結合能，Cd的3d5/2和3d3/2結合能分別為405.03和411.75 eV； 圖2(c)為S的2p軌道結合能，其結合能為161.89 eV，其結果與文獻[18]基本一致.

Binding energy/eV

Binding energy/eV

Binding energy/eV

圖3(a)為樣品的SEM圖.由圖3(a)可見，樣品分布均勻，尺寸一致； 圖3(b)為樣品的TEM圖. 由圖3(b)可見，樣品為球形顆粒，粒徑約為20 nm，與XRD分析結果一致.

(a)SEM (b)TEM

2.2 樣品的光催化性能

圖4為不同催化劑用量條件下，羅丹明B的降解率. 由圖4可知，當CdS用量>0.005 g時，羅丹明B的降解率高于90%，表明CdS用量較少時即可達到較高降解率，由此說明CdS納米顆粒具有較高的催化效率；當CdS用量=0.020 g時，具有最佳催化效率；隨CdS用量不斷增大，引起了光散射，導致光子能量利用率下降，催化效率反而下降.

t/min

圖5為不同降解時間時羅丹明B的UV-Vis吸收光譜，由圖5可知，在60 min內，羅丹明B的主要吸收峰由554 nm逐漸藍移至496 nm，表明在降解過程中伴隨著N,N-二乙基的脫落[19]，隨著降解時間的不斷增加，吸收峰的強度不斷降低，表明羅丹明B的碳骨架被氧化斷裂.

λ/nm

3 結語

以氯化鎘為鎘源，硫代氨基脲為硫源在水相中制備了CdS納米粒子，得到的CdS納米顆粒尺寸小，分布均勻. 在可見光照射下，用CdS納米粒子對羅丹明B進行降解，結果表明：CdS納米粒子有較高的催化活性，將在有機染料降解及太陽能利用等方面有較大的研究價值.

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