一种离子交换制备PbS-MoSX光电复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种离子交换制备PbS‑MoSx光电复合材料的方法。在合成PbS纳米片的基础上，通过离子交换，采用Mo5+离子将PbS纳米片表层的Pb2+离子交换出来，使表面转化为MoSx,形成PbS‑MoSx的复合异质结构。本发明专利技术操作简单，能够通过改变离子交换的反应时间控制PbS纳米片表面MoSx层的厚度，从而改变材料的光电性能。离子交换反应后得到的复合物材料的光电性能优于单独的PbS纳米片，所制备的PbS‑MoSx复合材料在光电领域有良好的应用前景。

Method for preparing PbS-MoSX photoelectric composite material by ion exchange

The invention discloses a method for preparing PbS MoSx photoelectric composite material by ion exchange. On the basis of the synthesis of PbS nanoscale, through ion exchange, the Pb2+ ion of the surface layer of PbS nanoscale was exchanged by Mo5+ ion, and the surface was converted to MoSx, and the composite heterostructure of PbS MoSx was formed. The invention is simple in operation, and can control the thickness of the MoSx layer on the surface of the PbS nanosheet by changing the reaction time of the ion exchange, thereby changing the photoelectric properties of the material. The photoelectric properties of the composites obtained after the ion exchange reaction are superior to that of the single PbS nanometers. The prepared PbS MoSx composites have good prospects for application in the photoelectric field.

【技术实现步骤摘要】
一种离子交换制备PbS-MoSx光电复合材料的方法
本专利技术属于光电半导体
，具体涉及一种采用离子交换制备PbS-MoSx光电复合材料的方法。
技术介绍
用于光电领域的半导体材料，需要具有合适的带隙，有较高的吸光系数，对光的吸收利用率较高。同时，由于光生电子和空穴随时会由于发生复合而消失，因此提高材料光电性能的一个途径是将光生电子和空穴及时分离，构建异质结构在半导体中产生内建电场是有效分离电子和空穴的方法。在制备纳米异质结材料时，一般是在合成一种半导体之后，通过溶剂热、化学浴、离子交换等手段在已合成的半导体上制备另一种半导体，形成包覆结构。其中离子交换法制备的异质结材料，在两种半导体间没有明显的交界面，不会出现两种半导体接触不好，影响电子传输的问题。PbS是p型半导体，由于它的带隙较窄(0.41eV)，红外吸收能力较强，纳米PbS材料表现出优异的光电性能，在近红外通讯、热和生物成像、光子开关、光电器件以及太阳能电池等方面具有广泛的应用。根据已有的报道，多硫化钼MoSx表现出较优异的光电催化活性，已在光催化析氢应用方面获得了较好的结果。将MoSx和PbS复合，不仅可以拓宽材料的吸光范围，同时形成异质结，使MoSx和PbS中产生的光生电子和空穴能够有效分离，其具有优良的光电性能，在光电传感和光催化等领域都有极大的应用潜力。本专利技术在合成PbS纳米片的基础上，通过离子交换法，采用Mo5+离子将PbS纳米片表层的Pb2+离子交换出来，使表面转化为MoSx,形成PbS-MoSx的异质结构。本专利技术操作简单，能够通过改变离子交换的反应时间控制PbS纳米片上MoSx表面层的厚度，从而改变材料的光电性能。离子交换反应后得到的复合物材料其光电性能优于单独的PbS纳米片材料。专利技术采用PbS纳米片作为基体，通过离子交换将表层的Pb交换为Mo，形成MoSx的表层，得到两种半导体复合的异质结构，这一离子交换制备PbS-MoSx复合材料的方法还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种离子交换制备PbS-MoSx光电复合材料的方法。本专利技术的思路：以合成的PbS纳米片作为基片，以MoCl5作为钼源，通过将PbS浸泡在MoCl5溶液中，使得Mo5+离子将PbS中的Pb2+离子交换出来，形成MoSx，从而得到PbS-MoSx复合材料。具体步骤为：(1)将醋酸铅分散在二苯醚中，随后加入油酸和三辛基膦，加热直到混合液变为澄清；(2)将步骤(1)得到的澄清混合液，在真空下75℃保温60分钟，醋酸铅转变为油酸铅，并在抽真空的同时带走反应产生的醋酸，保温结束得到混合液；(3)将步骤(2)保温结束得到的混合液在氮气保护下以3℃/分钟的升温速度升温到130℃；其中，在温度上升到100℃时，在回流条件下加入三氯乙烷，从此时开始计时；15分钟后加入硫代乙酰胺和N-N二甲基甲酰胺(DMF)的混合液，反应5分钟后撤走热源，冷却后得到反应液；(4)将冷却后的反应液在4000rpm速度下离心3分钟，离心沉淀物用甲苯清洗两次，干燥后得到PbS纳米片；(5)将PbS纳米片超声分散到MoCl5的乙二醇溶液中，在N2环境中常温反应；反应完成后以10000r/min速率离心样品，然后先后用乙二醇清洗两次，水清洗两次，乙醇清洗一次，干燥得到PbS-MoSx复合材料。所述步骤(1)中醋酸铅在二苯醚、油酸、三辛基膦混合液中的浓度为0.14mol/L，二苯醚、油酸、三辛基膦的体积比为100:70:1。所述步骤(3)中，所加入的硫代乙酰胺的摩尔数与步骤(1)中的醋酸铅的摩尔数相同，加入的三氯乙烷与步骤(1)中二苯醚的体积比为100:7，加入的DMF与二苯醚的体积比为13:20。所述步骤(5)中，MoCl5的乙二醇溶液浓度为0.1mol/L，PbS分散在MoCl5溶液中的浓度为0.05mol/L，反应的时间为5到30分钟。本专利技术操作简单，能够通过改变PbS在MoCl5溶液中的浸泡时间，改变表层MoSx的厚度，从而改变材料的光电性能，所制备的PbS-MoSx复合材料其光电性能优于单独的PbS纳米片，在光电和光催化领域有很好的应用前景。附图说明图1是本专利技术实施例1、2和3所制备的PbS纳米片和PbS-MoSx复合材料的拉曼图谱。图2是本专利技术实施例1、2和3所制备的PbS纳米片和PbS-MoSx复合材料的原子能谱图。图3是本专利技术实施例1、2和3所制备的PbS纳米片和PbS-MoSx复合材料的TEM图。图4是本专利技术实施例1、2和3制得的PbS纳米片和PbS-MoSx复合材料在300-1600nm范围内的吸光曲线。图5是本专利技术实施例1、2和3制得的PbS纳米片和PbS-MoSx复合材料的光响应电流曲线。由太阳能模拟器提供测试光源，光源强度100mW/cm2，光源开关的时间间隔分别为10秒，施加的电压为0.5V，光响应电流密度为开关光源的电流密度差。具体实施方式实施例1：(1)将1.4mmol醋酸铅超声分散在10ml二苯醚中，随后加入7ml油酸和0.1ml三辛基膦，加热直到溶液变为澄清；(2)将步骤(1)得到的混合液，在真空下75℃保温60分钟，醋酸铅转变为油酸铅，并在抽真空的同时带走反应产生的醋酸；(3)将步骤(2)得到的混合液在氮气保护下升温到130℃，在温度上升到100℃时，在回流条件下加入0.7ml三氯乙烷，从此时开始计时。12分钟后加入1.4mmol硫代乙酰胺和6.5mlDMF的混合液，5分钟后撤走热源；(4)将反应液在4000rpm速度下离心3分钟，离心沉淀物用甲苯清洗两次，干燥后得到PbS纳米片材料；(5)称量0.5mmol的PbS，在氮气氛下分散在10ml浓度为1mmol/L的MoCl5的乙二醇溶液中，反应5分钟；(6)将步骤(5)的反应液在10000r/min离心，将沉淀物用乙二醇清洗两次，水清洗两次，最后乙醇清洗一次，干燥得到PbS-MoSx复合材料，样品记为PM1。比较附图1中PbS纳米片和PM1的拉曼谱，在130-200cm-1及940-1000cm-1范围内出现的拉曼峰为PbS的特征峰。对于PM1，PbS的特征峰强度减弱，在300-480cm-1、720-790cm-1和840-910cm-1范围内出现了非晶MoSx的特征峰，证明PM1为PbS和MoSx的复合物。附图2(b)为PM1的原子能谱，与附图2(a)纯PbS的原子能谱比较，进一步证明了PM1的复合物组成。从附图3(a)透射电镜图可看出制备的PbS具有纳米片型的形貌，在经过5分钟的离子交换后，PbS片表层转变为无定形物质(附图3(b))，结合拉曼和原子能谱的测试结果，可证明这层无定形物为多硫化物MoSx。附图4的吸光测试表明，PM1的吸光性能优于纯PbS纳米片。附图5的光电化学测试结果表明，PM1样品和PbS纳米片都显示了光响应性，在100mWcm-2光强下，电压0.5V时，PM1样品的响应电流为8.68μAcm-2，高于PbS样品在同样条件下3.85μAcm-2的响应电流值。实施例2：将实施例1步骤(5)中,PbS在MoCl5溶液中的浸泡时间改为15分钟，其余均同实施例1，样品记为PM2。实施例2得到的样品PM2的拉曼图谱(附图1)、元素组成(附图2(c))和形貌结构(附图3(c))与PM1类本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子交换制备PbS‑MoSx光电复合材料的方法，包括：(1)将醋酸铅分散在二苯醚中，随后加入油酸和三辛基膦，加热直到混合液变为澄清；(2)将步骤(1)得到的澄清混合液，在真空下75℃保温60分钟，醋酸铅转变为油酸铅，并在抽真空的同时带走反应产生的醋酸，保温结束得到混合液；(3)将步骤(2)保温结束得到的混合液在氮气保护下以3℃/分钟的升温速度升温到130℃；其中，在温度上升到100℃时，在回流条件下加入三氯乙烷，从此时开始计时；15分钟后加入硫代乙酰胺和N‑N二甲基甲酰胺(DMF)的混合液，反应5分钟后撤走热源，冷却后得到反应液；(4)将冷却后的反应液在4000rpm速度下离心3分钟，离心沉淀物用甲苯清洗两次，干燥后得到PbS纳米片；(5)将PbS纳米片超声分散到MoCl5的乙二醇溶液中，在N2环境中常温反应；反应完成后以10000r/min速率离心样品，然后先后用乙二醇清洗两次，水清洗两次，乙醇清洗一次，干燥得到PbS‑MoSx复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种离子交换制备PbS-MoSx光电复合材料的方法，包括：(1)将醋酸铅分散在二苯醚中，随后加入油酸和三辛基膦，加热直到混合液变为澄清；(2)将步骤(1)得到的澄清混合液，在真空下75℃保温60分钟，醋酸铅转变为油酸铅，并在抽真空的同时带走反应产生的醋酸，保温结束得到混合液；(3)将步骤(2)保温结束得到的混合液在氮气保护下以3℃/分钟的升温速度升温到130℃；其中，在温度上升到100℃时，在回流条件下加入三氯乙烷，从此时开始计时；15分钟后加入硫代乙酰胺和N-N二甲基甲酰胺(DMF)的混合液，反应5分钟后撤走热源，冷却后得到反应液；(4)将冷却后的反应液在4000rpm速度下离心3分钟，离心沉淀物用甲苯清洗两次，干燥后得到PbS纳米片；(5)将PbS纳米片超声分散到MoCl5的乙二醇溶液中，在N2环境中常温反应；反应完成后以10000r/min速率离心样品，然后先后用乙二醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：利明，阮浩然，王献栋，张清彦，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西,45