二硫化钨及其异质结结构的制备与应用研究

发布时间：2017-07-18 21:20

  本文关键词：二硫化钨及其异质结结构的制备与应用研究

  更多相关文章： 二硫化钨 超临界二氧化碳 细胞标记 异质结 光催化

【摘要】：过渡金属二硫化物由于其独特的光学和电学性质在光电能量存储和生物领域引起了人们的极大关注。要实现其最佳性能,选择合适的制备方法至关重要。目前制备层状过渡金属二硫化物的主要方法有:微机械剥离法、化学剥离法(主要包含液相剥离和锂离子插层剥离法)、化学气相沉积法、水热合成法和范德华力外延生长法等。此外,超临界二氧化碳(SC CO_2)由于其出色的性能,如高的分散系数、显著的表面润湿性能和低的界面张力可以用于层状材料的剥离。本文以典型的半导体二硫化钨(WS_2)为研究对象,在SC CO_2辅助剥离二硫化钨的基础上制备了二硫化钨/一水合三氧化钨异质结,并且研究了所得产物在生物及光电化学方面的应用。在第一个工作中,采用不同体积比(乙醇体积分数从0依次增至100%)的乙醇和水作为分散剂,在SC CO_2辅助的条件下剥离本体WS_2。通过紫外可见光谱测试确定当乙醇体积分数为40%时可以实现WS_2的最佳剥离,并把该条件下得到的样品进行了透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱表征,表征结果证明得到的纳米片为单层和少层WS_2。此外,我们进一步对其进行了荧光光谱分析,并探究了其应用在细胞标记领域的可能性。令我们奇怪的是,单层和少层WS_2纳米片在细胞成像上的应用并没有像文献报导的那么好,于是我们猜测部分纳米片的结构可能已经发生改变。为了验证这一猜测,我们对样品进行了一系列表征,高分辨透射电镜结果表明样品中出现了一种新的斜方晶相并与WS_2形成了二维横向异质结结构,X射线电子衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)进一步证明新出现的晶体相是一水合三氧化钨(WO3?H2O)。在表征的基础上,我们提出了形成WS_2/WO3?H2O异质结的机理,即单层WS_2由于边缘部分暴露的活性位点多,容易被空气中的氧气氧化,而多层WS_2保持不变。此外,基于密度泛函理论的计算也证实了单层WS_2更容易被氧化。本文以光催化降解甲基橙作为探针反应来检测所制备的异质结结构的光催化活性。与本体WS_2的光催化活性进行对比,可以发现异质结对甲基橙的降解速率明显高于WS_2。研究光生载流子的行为对于明确在光照下甲基橙的光降解过程有很重要的作用,因此,本研究中分别测试了已制备的样品和本体在可光照射下的光电流密度,结果表明,样品的光电流密度明显高于本体,这与样品中异质结的存在有关,其使光生电子和空穴可以沿着相反的方向转移,其重组率减少,从而使光生载流子的寿命延长,最终得到高的光催化活性。
【关键词】：二硫化钨 超临界二氧化碳 细胞标记 异质结 光催化
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ136.13
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 课题研究背景及意义11-31
• 1.1 过渡金属二硫化物11-20
• 1.1.1 过渡金属二硫化物的结构11-12
• 1.1.2 单层和少层过渡金属二硫化物的性质12-15
• 1.1.3 过渡金属二硫化物的制备方法15-20
• 1.1.3.1 微机械剥离法15-16
• 1.1.3.2 化学剥离法16-18
• 1.1.3.3 化学气相沉积（CVD）法18-19
• 1.1.3.4 水热合成法19
• 1.1.3.5 范德华力外延法19-20
• 1.2 异质结20-27
• 1.2.1 半导体-半导体异质结的类别20-23
• 1.2.2 过渡金属二硫化物基异质结的制备现状23-27
• 1.3 超临界流体27-29
• 1.3.1 超临界流体的性质27-28
• 1.3.2 超临界二氧化碳剥离层状材料28-29
• 1.4 课题研究内容和选题意义29-31
• 第二章 超临界二氧化碳辅助剥离层状二硫化钨（WS_2）31-44
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验原材料及仪器32
• 2.3 实验过程32-34
• 2.3.1 WS_2纳米片的制备32-33
• 2.3.2 样品的表征33
• 2.3.3 制备的WS_2纳米片对细胞的浸染及荧光测试33-34
• 2.4 结果与讨论34-43
• 2.4.1 乙醇含量对WS_2剥离效果的影响34-36
• 2.4.2 剥离后WS_2纳米片的形貌与结构分析36-39
• 2.4.3 不同离心转速对片层大小的影响39-40
• 2.4.4 制备的WS_2纳米片的荧光性能及细胞标记实验40-43
• 2.5 小结43-44
• 第三章 二维二硫化钨/一水合三氧化钨（WS_2/WO_3?H_2O）横向异质结的制备及光催化研究44-61
• 3.1 引言44-45
• 3.2 实验试剂及主要仪器45-46
• 3.3 实验过程46-48
• 3.3.1 单层或少层二硫化钨的制备46
• 3.3.2 WS_2/WO_3?H_2O异质结的制备46
• 3.3.3 样品表征46
• 3.3.4 光催化甲基橙降解46-47
• 3.3.5 光电化学测试47
• 3.3.6 计算细节47-48
• 3.4 结果与讨论48-59
• 3.4.1 WS_2/WO_3?H_2O异质结的形貌和结构表征48-55
• 3.4.2 形成WS_2/WO_3?H_2O异质结的机理及理论计算分析55-57
• 3.4.3 WS_2/WO_3?H_2O异质结的光电性能测试57-59
• 3.5 小结59-61
• 第四章 结论与展望61-63
• 参考文献63-74
• 致谢74-75
• 个人简历及硕士期间发表论文与科研成果75

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