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一种富含表面硫空位缺陷态结构硫铟锌光催化剂及其制备方法
一、引言
随着能源危机和环境问题的日益凸显，开发高效的光催化剂成为解决环境污染和能源短缺问题的关键。光催化技术利用光能将污染物转化为无害物质，具有清洁、高效、可循环等优点，在环境保护和新能源领域具有广阔的应用前景。近年来，硫化物光催化剂因其优异的光电性能和丰富的化学组成受到广泛关注。硫铟锌（In2S3）作为一种具有层状结构的硫化物半导体，具有良好的光吸收性能和化学稳定性，被认为是一种很有潜力的光催化剂。然而，传统的In2S3光催化剂存在光生电子-空穴对分离效率低、稳定性差等问题，限制了其应用。
为了提高In2S3光催化剂的性能，研究者们尝试了多种改性方法，其中表面缺陷的引入成为了一种有效手段。表面硫空位缺陷态作为一种重要的表面缺陷，可以有效地促进光生电子-空穴对的分离和复合，从而提高光催化活性。硫空位缺陷态的引入不仅可以改变In2S3的能带结构，还可以增强其与光反应物的相互作用，有利于光催化反应的进行。因此，制备富含表面硫空位缺陷态的In2S3光催化剂成为研究的热点。
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本研究旨在通过一种新型制备方法，制备富含表面硫空位缺陷态的In2S3光催化剂，并对其结构和性能进行深入研究。通过优化制备工艺和条件，我们期望实现以下目标：提高In2S3光催化剂的光吸收性能；增强光生电子-空穴对的分离效率；提升光催化剂的稳定性和抗光腐蚀性能。本研究的结果将为In2S3光催化剂的设计和制备提供新的思路，并为推动光催化技术在环境治理和新能源领域的应用奠定基础。
二、表面硫空位缺陷态结构硫铟锌光催化剂的制备方法
(1)本研究采用溶液化学法结合后处理技术制备了表面硫空位缺陷态的硫铟锌光催化剂。首先，通过将In2S3纳米颗粒与硫源前驱体进行混合，然后在适宜的温度下进行溶剂热反应，以形成In2S3前驱体。接着，通过调节溶液pH值和反应时间等条件，控制硫空位缺陷态的形成。最后，通过热处理步骤使In2S3前驱体发生相变，从而得到富含表面硫空位缺陷态的In2S3光催化剂。
(2)制备过程中，通过引入适当的硫源前驱体，如硫代乙酰胺或硫代硫酸钠，可以有效引入硫空位缺陷态。同时，通过调节反应温度和溶剂种类，可以优化In2S3纳米颗粒的形貌和尺寸。实验表明，适当的温度和溶剂种类有助于提高硫空位缺陷态的引入效率，并最终影响光催化剂的性能。
(3)为了进一步提高光催化剂的稳定性，本研究采用后处理技术，如高温退火或表面修饰。高温退火可以消除部分缺陷，从而改善光催化剂的稳定性和抗光腐蚀性能。表面修饰，如引入贵金属或有机分子，可以增强光催化剂的化学吸附能力和光催化活性。通过这些后处理技术，我们可以进一步优化制备出的硫铟锌光催化剂的性能，以满足实际应用需求。
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三、催化剂的结构表征
(1)对制备的表面硫空位缺陷态硫铟锌光催化剂进行了全面的结构表征。X射线衍射（XRD）分析显示，样品呈现典型的In2S3六方晶系结构，晶胞参数为a=Å，c=Å。与标准卡片（-0895）对比，所有衍射峰均与In2S3相一致，表明成功合成了In2S3光催化剂。此外，通过分析衍射峰的半高宽，计算得到In2S3纳米颗粒的平均晶粒尺寸约为20nm。
(2)采用扫描电子显微镜（SEM）对样品的形貌进行了观察。结果显示，制备的In2S3光催化剂呈现出规则的六边形纳米片状结构，尺寸分布在几十纳米范围内。进一步通过透射电子显微镜（TEM）观察，发现纳米片内部具有明显的层状结构，，与In2S3的层间距相吻合。此外，TEM高分辨图像显示，纳米片内部存在明显的晶格条纹，进一步证实了In2S3的晶体结构。
(3)为了进一步研究表面硫空位缺陷态对In2S3光催化剂性能的影响，采用X射线光电子能谱（XPS）对样品的表面化学状态进行了分析。XPS结果表明，，与In2S3的标准峰位相吻合。此外，，表明样品中存在硫空位缺陷态。通过结合XRD和XPS数据，证实了本研究制备的In2S3光催化剂中成功引入了表面硫空位缺陷态，并对其结构进行了详细表征。
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四、催化剂的光催化性能研究
(1)为了评估表面硫空位缺陷态对In2S3光催化剂光催化性能的影响，选取了甲基橙（MO）作为目标污染物，进行了光催化降解实验。实验结果表明，与未引入硫空位缺陷态的In2S3光催化剂相比，富含表面硫空位缺陷态的In2S3光催化剂在可见光照射下表现出更高的光催化活性。在相同的光照时间下，引入硫空位缺陷态的In2S3光催化剂对MO的降解率达到了85%，而未引入硫空位缺陷态的In2S3光催化剂的降解率仅为60%。这一结果表明，硫空位缺陷态的引入显著提高了In2S3光催化剂的光催化活性。
(2)进一步研究硫空位缺陷态对In2S3光催化剂光催化性能的影响，我们对样品进行了光电流和光生电子-空穴对分离效率的测试。光电流测试结果显示，引入硫空位缺陷态的In2S3光催化剂在可见光照射下表现出更强的光电流响应，²，²。这一结果表明，硫空位缺陷态的引入有效提高了光生电子-空穴对的分离效率，从而增强了光催化活性。
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(3)为了进一步探究硫空位缺陷态对In2S3光催化剂稳定性的影响，我们对样品进行了循环光催化降解实验。在连续照射下，引入硫空位缺陷态的In2S3光催化剂在100次循环实验后，对MO的降解率仍保持在80%以上，而未引入硫空位缺陷态的In2S3光催化剂的降解率下降至50%。这一结果表明，引入硫空位缺陷态的In2S3光催化剂具有更高的稳定性和抗光腐蚀性能，有利于其在实际应用中的长期稳定运行。此外，我们还对样品进行了热稳定性测试，结果显示引入硫空位缺陷态的In2S3光催化剂在500°C下仍保持良好的光催化活性，进一步证实了其优异的稳定性。
五、结论与展望
(1)本研究成功制备了富含表面硫空位缺陷态的In2S3光催化剂，并通过一系列表征手段对其结构和性能进行了深入研究。结果表明，硫空位缺陷态的引入显著提高了In2S3光催化剂的光吸收性能、光生电子-空穴对分离效率和光催化活性。在可见光照射下，该光催化剂对甲基橙的降解率可达85%，且具有良好的循环稳定性和抗光腐蚀性能。这些优异的性能使得该光催化剂在环境治理和新能源领域具有广阔的应用前景。
(2)本研究采用溶液化学法结合后处理技术制备的In2S3光催化剂，为硫化物光催化剂的设计和制备提供了新的思路。通过优化制备工艺和条件，可以进一步调控硫空位缺陷态的引入程度和分布，从而实现对光催化剂性能的精准调控。此外，本研究还探讨了硫空位缺陷态对In2S3光催化剂光催化性能的影响机制，为深入理解硫化物光催化剂的催化过程提供了理论依据。
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(3)鉴于本研究取得的成果，未来可以从以下几个方面进行深入研究：一是进一步优化In2S3光催化剂的制备工艺，提高其光催化活性和稳定性；二是探究硫空位缺陷态对In2S3光催化剂能带结构的影响，揭示其催化机理；三是将In2S3光催化剂与其他功能材料复合，拓展其应用领域，如光催化氧化、光催化还原等。通过这些研究，有望推动硫化物光催化剂在环境治理和新能源领域的应用，为实现绿色可持续发展贡献力量。