硫化铋的主要应用

背景及概述^[1]

化学式Bi₂S₃。分子量514.15。棕黄色粉末或晶体。比重7.39。685℃分解。不溶于水、乙酸乙酯，溶于硝酸、盐酸。将金属铋与硫一起熔融或将硫化氢通入铋盐溶液中制得。用以制取铋的化合物。硫化铋是一种重要的半导体材料，它在光电元件、热电设备等方面的应用给人类带来极大的便利。纳米硫化铋使得其各种性能更加优化，因为纳米材料的性能在很大程度上取决于纳米材料的形貌，所以合成更多具有特殊形貌的硫化铋纳米结构具有实质性的意义。此外，目前普遍使用的合成方法存在着成本高、设备复杂、污染环境以及产物不纯等缺点，对现有的方法进行改进或开发出更加节能、安全、环保和简便的合成方法是今后研究的一个重点方向。

结构^[2]

Bi2S3具有特殊的层状结构和层状单元间的弱键，从而导致了在溶剂热合成和水热合成中Bi2S3生长的各向异性和晶核生长成微小的薄片状晶体。在相对较低的温度条件下，反应物的晶体生长速度要比成核速度快，这就有利于在高粘度和高表面张力的溶剂中Bi2S3生长成纳米薄片。在高粘度和高表面张力的溶剂蒸馏水和蒸馏水-乙二醇（2：1）中合成的粉末有利于形成纳米薄片结构。而Bi2S3和溶剂DMF间的表面张力能和粘度比较低，这就有利于加强链内S-Bi键之间的化学作用力，根据晶体生长的PBC理论，Bi2S3晶体的生长在沿着作用力最强的键链方向上有最快的生长速率，最终导致Bi2S3纳米棒的形成。综上所述，可以推断Bi2S3和溶剂蒸馏水、蒸馏水-乙二醇间的表面张力能要高于Bi2S3和溶剂DMF间的表面张力能。高表面张力和高粘度的溶剂有利于形成纳米薄片（图2a，2b），而低粘度和低表面张力的溶剂有利于形成棒状结构（图2c，2d）。

应用^[2-5]

(Bi2S3)作为一种重要的半导体材料，在热电、电子和光电子器件以及红外光谱学上具有潜在的应用价值。室温下硫化铋的带隙能为1.33eV，可用来制作光电转换器，广泛应用于热电冷却工艺中.纳米级的硫化铋不仅能使紫外可见吸收波长与荧光发射波长发生蓝移，还能产生非线性光学响应，增强纳米粒子的氧化还原能力，同时也具有优异的光电催化性能，在发光材料、非线性光学材料、光催化材料等方面有着广泛的应用前景。近年来人们还发现纳米硫化铋是一种优良的X射线断层扫描(CT)的造影剂，相对于传统的碘造影剂，其有独特的优越性。

1）制备一种用于污水处理的硫化铋复合光催化剂及制备方法。该方法以硝酸铋、硫代乙酰胺和水配制硫化铋前驱体溶液，以乙酸镉、硫化钠、巯基乙酸、尿素和水配制溶液并水热反应制得氮掺杂的硫化镉量子点溶液，然后将硫化铋前驱体溶液与氮掺杂的硫化镉量子点溶液混合并微波水热反应制得氮掺杂硫化镉量子点修饰的硫化铋复合光催化剂。与传统方法相比，本发明的制备的硫化铋复合光催化剂，光能吸收能力强，吸光效率高，并且可有效实现光生电子和空穴的有效分离，遏制了光腐蚀的发生，催化活性高，可快速高效降解废水中的污染物。

2）制备一种硫化铋/碳纳米管复合材料及其制备方法和其作为锂离子电池正极材料中的应用。硫化铋/碳纳米管复合材料为介孔结构，其中硫化铋/碳纳米管的质量比为1：0.11~0.12，比表面积为65~70cm3/g，孔径为3~4nm；所述硫化铋为纳米棒状结构，长度为50~150nm，宽度为5~10nm，包裹在碳纳米管的周围；所述碳纳米管起到连接棒状Bi2S3的桥梁作用，并在Bi2S3表面外的范围也有所延伸。本发明解决了硫化铋材料在Li+脱嵌时产生体积膨胀的问题，提高了电池的循环性能。

3）制备一种用于近红外光激发下具有肿瘤光动力学治疗性质的硫化铋-锌原卟啉复合材料及制法和应用，属于复合材料领域。解决硫化铋在光动力学治疗时光生电子-空穴的复合以及细胞中血红素氧合酶(HO-1)的、抗氧化应激能力导致PDT效率较低的问题。所述复合材料是通过合成聚N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酰胺共聚物修饰的硫化铋纳米材料，然后利用羧基和氨基的缩合反应合成的硫化铋-锌原卟啉复合材料。制备的复合材料通过抑制血红素氧合酶活性和促进电子-空穴分离两种途径增强光动力学治疗效率，同时上述材料具有良好的生物兼容性、光稳定性、CT成像能力以及增强的PDT效率，为新型纳米诊疗一体化系统的设计提供了思路，对癌症早期诊断与治疗有重要意义。

制备^[2]

称取0.97gBi(NO3)3·5H2O(0.002mol)用15mLDMF溶解，作为溶液A。0.72gL-胱氨酸(0.003mol)中加入15mLDMF，并用2mol/L(M)NaOH调节其pH值至10~11，作为溶液B。在不断的搅拌下将溶液B加入溶液A中，搅拌10min，放入容积为50mL的聚四氟乙烯内衬压力釜中，密封，在160℃条件下恒温5d，自然冷却至室温。将所得的黑色产物分别用无水乙醇和蒸馏水洗涤数次，最后在真空干燥箱中60℃干燥5h。在相同的条件下，用蒸馏水、蒸馏水和乙二醇（2：1）的混合溶剂取代DMF溶剂合成样品。将所得黑色粉末，用BrukerD8X-射线衍射仪确定其晶型结构(铜靶，λ=0.15406nm)。用JSM-6700F场发射扫描电子显微镜(加速电压为8kV)和TecnaiG2F20型透射电子显微镜（加速电压200kV）对所得样品的形貌进行表征。以Bi(NO3)3·5H2O和L-胱氨酸为原料，在DMF中进行溶剂热反应(条件为160℃，5d)，能够制得Bi2S3的纳米棒结构；L-胱氨酸能够作为硫源，并且在DMF溶剂中，加入适量的2mol/LNaOH能够制备出形貌较好Bi2S3的纳米棒结构。

主要参考资料

[1] 化学词典

[2] 硫化铋纳米棒的制备与表征

[3] CN201810189208.0一种用于污水处理的硫化铋复合光催化剂及制备方法

[4] CN201610898199.3硫化铋/碳纳米管复合材料及其制备方法和应用

[5] CN201711372308.9用于近红外光激发下具有肿瘤光动力学治疗性质的硫化铋-锌原卟啉复合材料及制法和应