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一种氧化铁-硫化钼-硫化镉可见光催化薄膜及其制备方法和应用 0 0

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申请进展

基本信息

申请人信息

代理人信息

摘要

法律状态

权利要求

说明书

专利申请流程有哪些步骤？

申请

申请号：指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。

申请日：提出专利申请之日。

2017-03-16

申请公布

申请公布指发明专利申请经初步审查合格后，自申请日（或优先权日）起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。

申请公布号：专利申请过程中，在尚未取得专利授权之前，国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。

申请公布日：申请公开的日期，即在专利公报上予以公开的日期。

2017-09-01

授权

授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由，授予发明专利权；或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由，授予实用新型专利权或外观设计专利权。

2019-05-31

预估到期

发明专利权的期限为二十年，实用新型专利权期限为十年，外观设计专利权期限为十五年，均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。

2037-03-16

基本信息

有效性	有效专利	专利类型	发明专利
申请号	CN201710157433.1	申请日	2017-03-16
公开/公告号	CN107020140B	公开/公告日	2019-05-31
授权日	2019-05-31	预估到期日	2037-03-16
申请年	2017年	公开/公告年	2019年
缴费截止日
分类号	B01J27/051 、B01J37/34 、B01J37/10 、C02F1/30 、C02F101/34	主分类号	B01J27/051
是否联合申请	独立申请	文献类型号	B
独权数量	1	从权数量	5
权利要求数量	6	非专利引证数量	1
引用专利数量	6	被引证专利数量	0
非专利引证	1、M. Zirak et al.“.Fabrication andsurface stochastic analysis of enhancedphotoelectrochemical activity of atuneable MoS2-CdS thin filmheterojunction”《.RSC Advances》.2016,第6卷(第20期),第16711-16719页.;
引用专利	CN105597784A、CN102849798A、CN106914256A、CN103566953A、CN106381481A、CN105664977A	被引证专利
专利权维持	5	专利申请国编码	CN
专利事件		事务标签	公开、实质审查、授权

申请人信息

申请人	浙江工商大学	第一申请人	浙江工商大学
专利权人	浙江工商大学	当前专利权人	浙江工商大学
发明人	丛燕青、张同同、葛耀花、姬云、周鑫宇、张宁、王燕青、金泽雨	第一发明人	丛燕青
地址	浙江省杭州市下沙高教园区学正街18号	邮编	310018
申请人数量	1	发明人数量	8
申请人所在省	浙江省	申请人所在市	浙江省杭州市

代理人信息

代理机构

专利代理机构是经省专利管理局审核，国家知识产权局批准设立，可以接受委托人的委托，在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。

杭州天勤知识产权代理有限公司

代理人

专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务，取得一定资格的人。

郑红莉

摘要

本发明公开了一种氧化铁‑硫化钼‑硫化镉可见光催化薄膜的制备方法：(1)以Fe2+的前驱体溶液作电解液，在导电基底上进行电沉积后煅烧处理得Fe2O3薄膜；(2)将上述Fe2O3薄膜浸没于MoS2的前躯体溶液中，用水热法制得Fe2O3‑MoS2薄膜；(3)将上述Fe2O3‑MoS2薄膜置于Cd2+的前驱体溶液中，加热反应制得Fe2O3‑MoS2‑CdS可见光催化薄膜。本发明还包括采用上述方法制得的氧化铁‑硫化钼‑硫化镉可见光催化薄膜及利用该膜在处理含酚废水中的应用。本发明制备工艺简单，重复性高，并且经济成本较低。通过具有不同能带结构的三种光催化剂的结合，形成协同作用，大大提高了光催化性能。

摘要附图
说明书附图：图1
说明书附图：图2
说明书附图：图3
说明书附图：图4
说明书附图：图5
说明书附图：图6
说明书附图：图7
说明书附图：图8
说明书附图：图9
说明书附图：图10
说明书附图：图11
说明书附图：图12

法律状态

序号	法律状态公告日	法律状态	法律状态信息
1	2019-05-31	授权
2	2017-09-01	实质审查的生效	IPC(主分类): B01J 27/051 专利申请号: 201710157433.1 申请日: 2017.03.16
3	2017-08-08	公开

权利要求

权利要求书是申请文件最核心的部分，是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。

1.一种制备氧化铁-硫化钼-硫化镉可见光催化薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用三电极体系，以Fe2+的前驱体溶液作为电解液，导电基底作为工作电极，石墨电极为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，进行电沉积；再经煅烧处理制得Fe2O3薄膜；
(2)将步骤(1)制得的Fe2O3薄膜浸没于MoS2的前躯体溶液中进行水热反应，反应结束后经洗涤得到Fe2O3-MoS2薄膜；所述的水热反应的温度为100～250℃，反应时间为1～3h；
(3)将步骤(2)制得的Fe2O3-MoS2薄膜置于Cd2+的前驱体溶液中，在加热的条件下进行反
2+
应，制得Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜；所述的Cd 的前躯体溶液由硫酸镉、硫脲、氨水和水配制而成，其中，硫酸镉的浓度为0.1～2mM，硫脲的浓度为1～10mM，氨水的质量分数为25～28％；所述的反应的温度为50～80℃，反应的时间为5～20min。

2.根据权利要求1所述的制备氧化铁-硫化钼-硫化镉可见光催化薄膜的方法，其特征在于，步骤(1)中，电沉积的温度为60～80℃，电沉积的电压为1～1.5V，电沉积的时间为4～
6min。

3.根据权利要求1所述的制备氧化铁-硫化钼-硫化镉可见光催化薄膜的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述煅烧处理的温度为450～550℃，煅烧时间为1～3h。

4.一种根据权利要求1～3任一项所述的方法制备得到的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，其特征在于，所得Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜由下至上依次包括位于导电基底上的Fe2O3薄膜以及位于Fe2O3薄膜上的MoS2薄膜和CdS薄膜。

5.根据权利要求4所述的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，其特征在于，所述Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的厚度为500～600nm。

6.一种利用权利要求4所述的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜在处理含酚废水中的应用。

说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及光电催化材料技术领域，特别是涉及一种氧化铁-硫化钼-硫化镉可见光催化薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 现今，随着能源和环境问题日益加重，寻求高效无害的环境友好的污染治理技术已成为人类亟待解决的课题。光电催化技术以其高效、无害、能耗低、环境友好等特点而备受瞩目，在环境净化和新能源开发方面具有巨大的潜力，并且展现了其优越的应用前景。此技术的关键在于制备高效、稳定的光催化薄膜。然而，发展高效且实际应用性强的光催化材料仍旧是一个巨大的挑战。

[0003] Fe2O3作为一种可见光响应型半导体材料，其带隙能为2.2eV，最大吸收波长为560nm，在紫外和可见光照射下均有较好的光响应。此外，其还兼有物理和化学稳定性好、经济成本低、对环境危害低等优点。但是，Fe2O3材料缺点在于光生电子和空穴易复合且光吸收系数小，致使光催化活性较低。近年来，通过对Fe2O3催化剂进行掺杂或复合改性来提高Fe2O3光催化活性的研究应运而生。

[0004] MoS2是良好的二维片状纳米材料，由于其优异的电学和光学性质而在光催化、锂离子电池和光电子器件等领域受到广泛关注，其比表面积大，可以做为基底材料固定多种材料。另外，CdS是一种非常有潜力的半导体(带隙宽度为2.4eV)，其带隙宽度与Fe2O3接近。

[0005] 为了提高可见光催化剂活性，抑制光生电子-空穴的复合，目前，通常将两种能带结构匹配的半导体复合，形成异质结构的复合光催化剂。一般可采取改性掺杂及半导体复合等方法。其中，半导体复合是将两种或多种带隙相互匹配的不同光催化剂进行复合，形成异质结构的复合光催化剂，而其催化活性也远高于单个半导体材料的催化性能。但不同半导体之间能带和结构等均存在着较大差异，只有将价带和导带位置相互匹配的两种或多种光催化材料进行复合，才能最大程度的减少电子和空穴的复合，提升光催化效果。因此，寻找能够相互匹配的半导体进行复合从而形成高效稳定的光催化剂是关键。

[0006] 对于如何提升光催化性能，不同材料自身的导电性能、带隙能、价带(或导带)位置等多种因素都会对其有所影响，目前多数研究注重于两种半导体的复合，其光催化效果不尽如人意，而多种半导体共复合的研究较少。然而，多种半导体共掺杂改性可以取得协同作用效果，使催化剂性能得到质的提升。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜及其制备方法，复合光催化材料表现出较高的光催化活性及稳定性，且制备方法简单经济。

[0008] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0009] 一种制备氧化铁-硫化钼-硫化镉可见光催化薄膜的方法，包括如下步骤：

[0010] (1)采用三电极体系，以Fe2+的前驱体溶液作为电解液，导电基底作为工作电极，石墨电极为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，进行电沉积；再经煅烧处理制得Fe2O3薄膜；

[0011] (2)将步骤(1)制得的Fe2O3薄膜浸没于MoS2的前躯体溶液中进行水热反应，反应结束后经洗涤得到Fe2O3-MoS2薄膜；

[0012] (3)将步骤(2)制得的Fe2O3-MoS2薄膜置于Cd2+的前驱体溶液中，在加热的条件下进行反应，制得Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜。

[0013] 采用电沉积、水热反应、加热反应的方法制得的光催化薄膜成膜均匀、稳定性好，活性成分不易剥落；薄膜面积易控制。所制得的Fe2O3-MoS2-CdS薄膜的光生电子和空穴分离效率高，具有良好的光电催化活性。

[0014] 上述制备路线中，各步骤的具体工艺条件如下：

[0015] (一)步骤(1)中：

[0016] 所述导电基底为导电玻璃(FTO)等。

[0017] 在电沉积之前需要预先清洗、烘干导电基底。

[0018] 所述Fe2+的前驱体溶液由可溶性亚铁盐和溶剂A配制而成，可溶性亚铁盐可为硝酸亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、醋酸亚铁或草酸亚铁等，溶剂A为乙二醇、甲醇、乙醇和水中的一种或几种。

[0019] 作为优选，可溶性亚铁盐为氯化亚铁，溶剂A为乙二醇和水的混合液，乙二醇与水的体积比为1：4～12。Fe2+的前驱体溶液中，所述乙二醇和水的混合液有利于电沉积过程中氢氧化亚铁的形成，其中，乙二醇与水的混合比例还可影响所制备薄膜的形貌，进而影响薄膜的光催化性能。

[0020] 优选地，所述Fe2+的前驱体溶液中的Fe2+摩尔浓度为0.01～0.2M。

[0021] 光催化薄膜的光电催化活性很大程度上与薄膜厚度有关，薄膜厚度太薄或太厚，均会影响薄膜的光活性和光生载流子的迁移，而只有当薄膜厚度适中时，光不但激发产生载流子,且能提高载流子的迁移速率，从而提高薄膜的光电催化活性。

[0022] 本发明的制备方法中光催化剂薄膜的总厚度基本上等于电沉积形成的薄膜厚度、水热法与加热反应形成的薄膜厚度之和。电沉积的温度、时间及工作电压直接关系到电解沉积的产物和形成的产物的质量(即电沉积薄膜的厚度)。电沉积完成后，需通过高温煅烧进一步氧化，而煅烧温度和时间也直接影响生成的Fe2O3的晶相，从而可影响复合膜的光催化性能。

[0023] 可通过调控电沉积参数及煅烧参数来控制成膜有效面积和质量。

[0024] 优选地，步骤(1)中，电沉积的温度为40～90℃，电沉积的电压为1～2V，电沉积的时间为0.5～15min；

[0025] 进一步优选，步骤(1)中，电沉积的温度为60～80℃，电沉积的电压为1～1.5V，电沉积的时间为4～6min。通过电沉积工艺参数控制电沉积得到的催化薄膜的厚度，薄膜厚度太薄，不能充分吸收光，且作为基底时，不能充分发挥其催化活性；薄膜太厚则影响光生载流子的迁移。当薄膜厚度适中时，光不但激发产生载流子,且能提高载流子的迁移速率，从而提高薄膜的光电催化活性。

[0026] 优选地，所述煅烧处理的温度为300～600℃，煅烧时间为0.5～5h；进一步优选，煅烧处理的温度为450～550℃，煅烧时间为1～3h，通过恒温煅烧温度和时间控制催化薄膜的结晶度。在优选的煅烧温度下，材料具有良好的结晶度，晶相为α-Fe2O3，结晶度良好，光催化活性较高。当煅烧温度较低时，材料的结晶性很差，极大地限制光催化活性；当煅烧温度过高时，会因导电基底的耐热温度限制而影响膜的形成。

[0027] (二)步骤(2)中：

[0028] 优选地，所述MoS2的前躯体溶液由钼盐、硫脲和水配制而成，其中，钼盐为四硫代钼酸铵和/或钼酸铵。

[0029] 优选地，所述MoS2的前躯体溶液中，钼盐的浓度为0.001～0.006M，硫脲的浓度为0.01～0.08M；进一步优选，钼盐的浓度为0.001～0.003M，硫脲的浓度为0.02～0.03M。

[0030] 优选地，进行水热反应时，薄膜的导电面朝上，在重力作用下，导电面朝上更有利于自然沉降，制得的薄膜表面均匀；导电面朝下时，MoS2层在基底层上生长不均匀，从而在一定程度上影响薄膜的光电性能。

[0031] 本发明中，采用水热法制得Fe2O3-MoS2薄膜，而MoS2薄膜的厚度主要通过控制水热反应的时间和温度来控制，优选地，水热反应的温度为100～400℃，反应时间为1～5h；进一步优选，水热反应的温度为100～250℃，反应时间为1～3h；最优选地，水热反应温度为220℃，反应时间为2h；

[0032] (三)步骤(3)中：

[0033] 优选地，所述Cd2+的前躯体溶液由硫酸镉(CdH16O12S)、硫脲(CH4N2S)、氨水和水配制而成。

[0034] 优选地，所述Cd2+的前躯体溶液中，硫酸镉的浓度为0.1～2mM，氨水的质量分数为25～28％，硫脲的浓度为1～10mM；进一步优选，硫酸镉的浓度为0.3～1mM，氨水的质量分数为5～8％，硫脲的浓度为2～7mM。

[0035] 优选地，步骤(3)中，所述反应的温度为50～80℃，反应的时间为5～20min；进一步优选，所述反应的温度为50～70℃，反应的时间为5～15min。

[0036] 光催化薄膜的光电催化活性与膜厚有关，薄膜太厚影响光生载流子的迁移。厚度适中的掺杂膜能激发载流子的产生，还能提高载流子的迁移速率，从而提高掺杂膜的光电催化活性。

[0037] 本发明还提供了一种由上述方法制备得到的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，所得Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜由下至上依次包括位于导电基底上的Fe2O3薄膜以及位于Fe2O3薄膜上的MoS2薄膜和CdS薄膜。

[0038] 光催化薄膜的光电催化活性与膜厚有关，薄膜太厚影响光生载流子的迁移。厚度适中的掺杂膜能激发载流子的产生，还能提高载流子的迁移速率，从而提高掺杂膜的光电催化活性。

[0039] 本发明的制备方法中光催化剂薄膜的总厚度基本上等于电沉积形成的薄膜厚度、水热法与加热反应形成的薄膜厚度之和。

[0040] 所述Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的厚度为500～600nm。该厚度下，Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜能激发载流子的产生，还能提高载流子的迁移速率，从而提高掺杂膜的光电催化活性。

[0041] 本发明还包括一种利用所制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜在处理含酚废水中的应用。

[0042] 与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0043] (1)本发明制得的Fe2O3-MoS2-CdS薄膜表面均匀、活性物质稳定性好，不易剥落，薄膜面积易控制，由于MoS2、CdS和Fe2O3协同作用，使三元复合薄膜的光生电子和空穴分离效率高，具有良好的光电催化活性；

[0044] (2)通过测定，在可见光照下，制备的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的光电流相对于Fe2O3薄膜提高了约40倍；在紫外-可见光照下，光电流相对于Fe2O3薄膜提高了约53倍。

[0045] (3)本发明的方法在常温下即可进行，适用范围广，Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜在反应过程中可循环使用，利用可见光的照射，提高了对太阳能的利用率，实现了高效利用太阳能，极大地降低了成本，减少了二次污染；

[0046] (4)本发明中Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜可避免以往粉末光催化剂回收困难的问题，在提高光催化效率的可同时利用光电协同技术来降解废水，降解效果更好。

实施方案

[0059] 实施例1

[0060] 下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

[0061] 本实施例的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的制备方法包括如下步骤：

[0062] (1)以Fe2+的前驱体溶液作为电解液，使用CHI660E型电化学工作站采用三电极体系进行电沉积，即以经过清洗、烘干处理之后的导电基底导电玻璃(FTO)为工作电极，石墨电极为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，待其自然晾干后进行恒温煅烧获得Fe2O3薄膜；

[0063] 本实施案例中的Fe2+的前驱体溶液的制备方法如下：称取一定量的FeCl2·4H2O溶于一定体积的乙二醇和蒸馏水中，Fe2+的前驱体溶液中，Fe2+的浓度为0.02M,乙二醇与蒸馏水的体积比为1：8。

[0064] 通过电沉积工艺参数控制电沉积得到的催化薄膜的厚度，本实施例中电沉积工艺参数如下：电沉积温度为70℃，工作电压为1.36V，沉积时间为5min。然后将沉积好的导电基底晾干后放入马弗炉中，在500℃下恒温煅烧2h，即得到Fe2O3薄膜。

[0065] (2)将步骤(1)制得的Fe2O3薄膜自然晾干后，导电面朝上倾斜放置，浸没于MoS2的前躯体溶液中，将其置于高压反应釜中，用水热法制得Fe2O3-MoS2薄膜；

[0066] 本实施例中的MoS2的前躯体溶液为钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)、硫脲(H2NCSNH2)和水的混合溶液；硫脲的浓度为0.025M，钼酸铵的浓度为0.002M；

[0067] 本实施例中，采用水热法制得Fe2O3-MoS2薄膜，而MoS2薄膜的厚度主要通过控制高压反应釜的反应时间和反应温度来控制，本实施例中，水热反应时间为2h，反应温度为220℃。

[0068] (3)将步骤(2)制得的Fe2O3-MoS2薄膜置于Cd2+的前驱体溶液中，在60℃下水浴加热10min，制得Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，测得薄膜的厚度为520nm。

[0069] 本实施例中的Cd2+的前驱体溶液由以下方法制备：取2.4ml氨水，0.028mmol硫酸镉(CdH16O12S)和0.2mmol硫脲(CH4N2S)溶于40ml蒸馏水中。

[0070] 图1为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜在0.1M NaOH溶液中的可见光照交替下的线性扫描伏安曲线；

[0071] 图2为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜在0.1M NaOH溶液中的紫外-可见光照交替下的线性扫描伏安曲线。

[0072] 由图1可知，在可见光照下，相较于Fe2O3薄膜，电压为0.45V时，MoS2的构筑使得光电流(即电流密度)相应提高了13倍，即MoS2的复合提高了薄膜的催化活性。相较于Fe2O3薄膜，电压为0.45V时，MoS2-CdS的构筑使得Fe2O3-MoS2-CdS薄膜的光电流相应提高40倍，即MoS2和CdS的共同构筑进一步提高了薄膜的催化活性。由图2可知，在紫外-可见光照下，相较于Fe2O3薄膜，电压为0.45V时，MoS2的构筑使得Fe2O3-MoS2薄膜的光电流比Fe2O3薄膜提高了10倍；相较于Fe2O3薄膜，MoS2-CdS的构筑使得Fe2O3-MoS2-CdS薄膜的光电流相应提高53倍。

[0073] 此外，从图1和图2中可明显看出，在可见光或紫外可见光被遮挡或显现的瞬间，Fe2O3薄膜的光电流会迅速达到最大值，随后便衰减到一定值，这是由于Fe2O3薄膜本身的复合较大，光生电子和空穴一经产生便立即复合。而构筑MoS2后则不会出现此种现象，这说明MoS2在Fe2O3薄膜表面可以抑制光生电子和空穴的复合。当进一步构筑CdS后，在可见光或紫外可见光被遮挡或显现的瞬间，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜的光电流会迅速达到最大值，此时的最大值较之前的Fe2O3薄膜和Fe2O3-MoS2薄膜都有较大的提升，说明三元复合的Fe2O3-MoS2-CdS光电响应最好，产生的光电流最强，Fe2O3、MoS2和CdS三种材料之间产生协同作用。

[0074] 图3为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜在0.1M NaOH溶液中在黑暗条件下的电化学阻抗图谱(EIS图谱)；图4为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜在0.1M NaOH溶液中在可见光条件下的电化学阻抗图谱(EIS图谱)。电化学工作站设置的频率范围为106Hz-0.01Hz。由图3、图4可知，无论是在黑暗还是在可见光照条件下，Fe2O3-MoS2薄膜的阻抗环半径都小于Fe2O3薄膜，而且，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜的阻抗环半径明显小于Fe2O3-MoS2薄膜。在电化学交流阻抗谱中，阻抗环半径越小，说明该材料的电阻越小，光生电荷迁移能力越强。由此可知，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜光生电子-空穴能更加有效的分离。

[0075] 图5为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜的IPCE曲线(光电催化转化效率曲线)。由图5的IPCE图谱可知，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜的IPCE值明显高于Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜。对于Fe2O3-MoS2-CdS薄膜而言，IPCE曲线的响应点是在575nm，而Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜在550nm处才开始响应，所以Fe2O3-MoS2-CdS薄膜比Fe2O3-MoS2薄膜和单纯的Fe2O3薄膜表现出更宽的可见光吸收范围。而且，在波长400nm处，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜的IPCE是Fe2O3薄膜IPCE的两倍，高出Fe2O3-MoS2薄膜三倍多，这表明Fe2O3-MoS2-CdS复合薄膜在光电活性方面表现出显著的协同效果。

[0076] 图6为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜的瞬时光电流-时间(lnD-T)曲线图。在瞬时光电流-时间曲线图中，对于某个特定的ln D值，若所测催化材料对应的t值越大，则该电极中光生载流子复合速率越低。在所测外加偏压下，比较三种催化薄膜的曲线，对于任意ln D值，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜对应的t值始终最大，光生载流子复合速率低。由图6可知，当ln D＝-1,Fe2O3-MoS2-CdS薄膜所对应的t值为3.8s，Fe2O3-MoS2薄膜所对应的t值为2.3s，Fe2O3薄膜所对应的t值为1.2s，t值越大复合薄膜的表面光生载流子的复合速率越低。由此可得在整个施加的偏压范围内，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜光生载流子复合速率最低。

[0077] 综合图5和图6可知，Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜在光电活性方面表现出显著的协同效应，本发明制备得到的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜具有优异的可见光催化活性。

[0078] 实施例2

[0079] 本实施例中待处理废水为苯酚废水，其中苯酚的初始浓度为10mg/L。

[0080] 本实施例的基于实施例1制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的含酚废水的处理方法，处理过程如下：

[0081] (S1)调节待处理的含酚废水的pH值至6.3；

[0082] 通过滴加1M H2SO4溶液或1M NaOH溶液来调节含酚废水的pH值。

[0083] (S2)对调节pH值后进行光电催化处理。光电催化处理时采用的光阳电极包括导电基底和包覆于导电基底表面的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜(膜有效面积为2cm×2cm)，阴极为相同有效面积的钛片。

[0084] 本实施例中光电催化处理时，在光催化电极对施加工作电压前，还对待处理废水进行暗吸附处理，暗吸附处理时间为30min。

[0085] 光电催化处理时施加在光阳电极和阴极之间的工作电压为2.5V，在可见光照射的条件下进行。

[0086] 为保证待处理废水在反应过程中浓度均匀，在光电催化处理过程中，对待处理废水进行磁力搅拌。

[0087] 本实施例中还给出了Fe2O3薄膜和Fe2O3-MoS2薄膜对待处理含酚废水的降解情况以进行对比。

[0088] 图7为Fe2O3薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜在可见光下对待处理废水中苯酚的去除率比较。经过5h的光电催化反应后，三元Fe2O3-MoS2-CdS薄膜作为阳极时苯酚的去除率高达90.47％，而单纯的Fe2O3和二元复合Fe2O3-MoS2薄膜作为阳极时去除率明显低于三元复合材料，分别为54.57％和69.14％。此外，降解过程用拟一级动力学反应模型进行拟合，计算其反应速率常数，经拟合计算后可知，在可见光照下，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜的反应速率分别是Fe2O3和Fe2O3-MoS2的3.17和2.05倍。综上分析可知，MoS2和CdS层对于光电催化降解性能都有一定的提升作用，并且两层共筑构成的三元复合材料可见光电催化活性相对最优，苯酚去除率提高的同时，反应速率也加快。

[0089] 实施例3

[0090] 与实施例2相同，所不同的是处理条件不同。本实施例中分别在纯电和纯光条件下进行，以研究Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜在不同光照条件下分别对苯酚的降解情况。

[0091] 图8为纯电条件(EC)、纯光条件(PC)和光电协同条件(PEC)条件下待处理含酚废水中苯酚的去除率比较，其中光电协同条件(PEC)条件下对应的曲线与实施例2中相同。

[0092] 如图8所示，反应5h后，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜光电催化降解苯酚的效果明显优于单纯光催化(19.26％)或者电催化(7.30％)，光电催化苯酚去除率为90.47％，光电协同效果显著。此外，降解过程用拟一级动力学反应模型进行拟合，计算其反应速率常数，经拟合计算后可知，催化类型不同时，光电催化反应的反应速率分别为单纯光催化和电催化的38倍和10.86倍，进一步验证了在苯酚降解过程中存在显著的光电协同作用，后续降解实验均在光电催化反应体系下进行研究。

[0093] 实施例4

[0094] 采用与实施例2相同的处理方法处理不同的含酚废水，即进行含酚废水处理时采用的光阳电极、处理过程以及其中每个步骤的参数均相同，所不同的是待处理含酚废水中苯酚的初始浓度不同。

[0095] 本实施例中待处理含酚废水中苯酚的初始浓度如下：5mg/L、10mg/L和20mg/L。

[0096] 图9为苯酚初始浓度对Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜在可见光下对待处理废水中苯酚的去除率影响。

[0097] 由图可知，在所测污染物初始浓度范围内，以Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜为光阳极进行光电催化反应降解苯酚时，都有着较好的去除效果，当浓度较低时(5、10mg/L)，苯酚的去除率均在90％以上，分别为91.50％和90.47％，在浓度较高(20mg/L)时，也有一定的降解效果，苯酚的去除率为50.76％。

[0098] 实施例5

[0099] 对制备的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜进行了循环降解实验：取待处理含酚废水并分为四份，采用与实施例2相同的方法，利用同一对光电催化电极对分别对每一份待处理含酚废水进行处理。

[0100] 图10为对每份待处理含酚废水中苯酚的降解率，按照处理顺序，每次处理后苯酚的降解率曲线分别为run1、run2、run3和run4。

[0101] 由图可知，Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜降解含酚废水4次后，苯酚的去除率基本保持不变，均在90％左右，初步验证了此薄膜具有良好的重复使用性和稳定性。

[0102] 实施例6

[0103] 采用与实施例2相同的处理方法处理不同的含酚废水，即进行含酚废水处理时采用的光阳电极、处理过程以及其中每个步骤的参数均相同，所不同的是待处理含酚废水的初始pH值不同，即预设pH值不同。

[0104] 本实施例中调节待处理的含酚废水的pH值至：3.0、6.3和9.0。

[0105] 图11含酚废水pH值对Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜光电催化苯酚去除率的影响。

[0106] 由图11可知，含酚废水的pH值显著影响着苯酚的降解效果：当含酚废水pH值为3.0和6.3时，苯酚降解效果较好，苯酚的去除率均在90％左右；当含酚废水pH值为9.0呈碱性时，苯酚的降解效果较差为55.19％。可见，将待处理的含酚废水pH值调节至3～6.3之间时，Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜对于光电催化降解苯酚都有着较好的降解效果。

[0107] 实施例7

[0108] 为进一步考察不同催化材料层存在的作用及意义，制备了Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，MoS2-CdS薄膜，Fe2O3-CdS薄膜，CdS薄膜和MoS2薄膜在相同条件下进行对比，具体制备方法如下：

[0109] (1)Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜：制备方法同实施例1。

[0110] (2)MoS2薄膜：将FTO导电面朝上倾斜浸没于MoS2的前躯体溶液中，将其置于高压反应釜中，用水热法制得MoS2薄膜。

[0111] MoS2的前躯体溶液的制备方法同实施例1。

[0112] (3)MoS2-CdS薄膜：将(2)中制得的MoS2薄膜放入Cd2+的前驱体溶液中，在60℃水浴中反应10分钟，得到MoS2-CdS薄膜；

[0113] Cd2+的前驱体溶液的制备方法同实施例1。

[0114] (4)Fe2O3-CdS薄膜：按照实施例1中的步骤制得的Fe2O3薄膜放入Cd2+的前驱体溶液中，在60℃水浴中反应10分钟，得到Fe2O3-CdS薄膜；

[0115] Cd2+的前驱体溶液的制备方法同实施例1。

[0116] (5)CdS薄膜：将FTO放入Cd2+的前驱体溶液中，在60℃水浴中反应10分钟，得到CdS薄膜。

[0117] Cd2+的前驱体溶液的制备方法同实施例1。

[0118] 图12为本实施例中制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，MoS2-CdS薄膜，Fe2O3-CdS薄膜，CdS薄膜和MoS2薄膜在0.1M NaOH溶液中的可见光照交替下的线性扫描伏安曲线。由图12可知，在可见光的照射下，在所测外加偏压范围内，Fe2O3-MoS2-CdS薄膜的光电流大于MoS2-CdS薄膜，这说明Fe2O3为基底对光电流的提升有一定的促进作用；此外，MoS2-CdS薄膜的光电流显著高于MoS2薄膜，进一步验证了CdS层的作用显著；直接将FTO在Cd2+的前驱体溶液中进行化学水浴沉积得到CdS的薄膜，有一定的光电流，但明显低于Fe2O3-MoS2-CdS和MoS2-CdS，也间接证明了Fe2O3和MoS2的作用；当直接将FTO在MoS2的前躯体溶液中进行水热反应得到的MoS2薄膜，光电流没有明显变化，说明单纯的MoS2光电催化性能较差。综合上述测试结果，确定Fe2O3-MoS2-CdS光电催化薄膜三种材料之间确实存在协同作用，使其具有较好的光电性能。

[0119] 实施例8

[0120] 重复实施例1和2的操作步骤，不同之处在于制备Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的过程中，步骤(1)中，电沉积的温度为40℃，电沉积的电压为1.02V，电沉积的时间为10min；煅烧处理的温度为450℃，煅烧时间为5h。

[0121] 在本实施例的条件下制备的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜光电化学性能劣于按实施例1条件制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，相较于Fe2O3薄膜，本实施例的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的光电流(即电流密度)相应提高了35倍；在可见光条件下对苯酚的降解率为85.8％。

[0122] 实施例9

[0123] 重复实施例1和2的操作步骤，不同之处在于制备Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的过程中，步骤(2)中，MoS2的前躯体溶液中钼盐为四硫代钼酸铵，硫脲的浓度为0.07M，四硫代钼酸铵的浓度为0.006M。步骤(2)中，水热反应的温度为200℃，反应时间为5h。

[0124] 在本实施例的条件下制备的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜光电化学性能劣于按实施例1条件制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，相较于Fe2O3薄膜，本实施例的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的光电流(即电流密度)相应提高了37倍；在可见光条件下对苯酚的降解率为86.1％。

[0125] 实施例10

[0126] 重复实施例1和2的操作步骤，不同之处在于制备Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的过程中，步骤(2)中，水热反应的温度为250℃，反应时间为3h。

[0127] 在本实施例的条件下制备的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜光电化学性能劣于按实施例1条件制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，相较于Fe2O3薄膜，本实施例的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的光电流(即电流密度)相应提高了39倍；在可见光条件下对苯酚的降解率为89.1％。

[0128] 实施例11

[0129] 重复实施例1和2的操作步骤，不同之处在于制备Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的过程中，步骤(2)中，水热反应的温度为400℃，反应时间为1h。

[0130] 在本实施例的条件下制备的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜光电化学性能劣于按实施例1条件制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，相较于Fe2O3薄膜，本实施例的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的光电流(即电流密度)相应提高了34倍；在可见光条件下对苯酚的降解率为84.6％。

[0131] 实施例12

[0132] 重复实施例1和2的操作步骤，不同之处在于制备Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的过程中，步骤(3)中，将步骤(2)制得的Fe2O3-MoS2薄膜置于Cd2+的前驱体溶液中，在50℃下水浴加热20min

[0133] 在本实施例的条件下制备的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜光电化学性能劣于按实施例1条件制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，相较于Fe2O3薄膜，本实施例的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的光电流(即电流密度)相应提高了38倍；在可见光条件下对苯酚的降解率为89.2％。

[0134] 实施例13

[0135] 重复实施例1和2的操作步骤，不同之处在于制备Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的过程中，步骤(3)中，将步骤(2)制得的Fe2O3-MoS2薄膜置于Cd2+的前驱体溶液中，在80℃下水浴加热5min

[0136] 在本实施例的条件下制备的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜光电化学性能劣于按实施例1条件制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，相较于Fe2O3薄膜，本实施例的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的光电流(即电流密度)相应提高了32倍；在可见光条件下对苯酚的降解率为83.6％。

[0137] 实施例14

[0138] 重复实施例1和2的操作步骤，不同之处在于制备Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的过程中，步骤(3)中，将步骤(2)制得的Fe2O3-MoS2薄膜置于Cd2+的前驱体溶液中，在70℃下水浴加热15min

[0139] 在本实施例的条件下制备的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜光电化学性能劣于按实施例1条件制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，相较于Fe2O3薄膜，本实施例的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜的光电流(即电流密度)相应提高了39倍；在可见光条件下对苯酚的降解率为89.9％。

[0140] 以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

附图说明

[0047] 图1为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜在0.1M NaOH溶液中的可见光照交替下的线性扫描伏安曲线；

[0048] 图2为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜在0.1M NaOH溶液中的紫外-可见光照交替下的线性扫描伏安曲线；

[0049] 图3为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜在0.1M NaOH溶液中在黑暗条件下的电化学阻抗图谱(EIS图谱)；

[0050] 图4为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜在0.1M NaOH溶液中在可见光条件下的电化学阻抗图谱(EIS图谱)；

[0051] 图5为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜的IPCE曲线(光电催化转化效率曲线)；

[0052] 图6为Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3薄膜的瞬时光电流-时间(lnD-T)曲线图；

[0053] 图7为Fe2O3薄膜、Fe2O3-MoS2薄膜和Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜在可见光下对待处理废水中苯酚的去除率比较；

[0054] 图8为纯电条件(EC)、纯光条件(PC)和光电协同条件(PEC)条件下待处理含酚废水中苯酚的去除率比较；

[0055] 图9为苯酚初始浓度对Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜在可见光下对待处理废水中苯酚的去除率影响；

[0056] 图10为实施例5中对每份待处理含酚废水中苯酚的降解率；

[0057] 图11为含酚废水pH值对Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜光电催化苯酚去除率的影响；

[0058] 图12为实施例7中制得的Fe2O3-MoS2-CdS可见光催化薄膜，MoS2-CdS薄膜，Fe2O3-CdS薄膜，CdS薄膜和MoS2薄膜在0.1M NaOH溶液中的可见光照交替下的线性扫描伏安曲线。