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        Cu(Ⅱ)助劑與石墨烯協(xié)同增強(qiáng)AgBr可見光光催化性能

        2015-12-01 03:02:51王明芳徐順秋李小爭
        關(guān)鍵詞:光生光催化劑助劑

        王明芳 王 蘋 徐順秋 李小爭

        (武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院化學(xué)系,武漢430070)

        Cu(Ⅱ)助劑與石墨烯協(xié)同增強(qiáng)AgBr可見光光催化性能

        王明芳 王 蘋*徐順秋 李小爭

        (武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院化學(xué)系,武漢430070)

        采用簡單、低溫的溶液浸漬法制備了Cu(Ⅱ)助劑和石墨烯共修飾的高效AgBr可見光光催化劑。降解甲基橙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)Cu(Ⅱ)助劑與石墨烯協(xié)同修飾后的AgBr表現(xiàn)出很好的降解性能,其中Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBr-rGO(0.5wt%)具有最高性能(rGO代表還原石墨烯),速率常數(shù)是0.027 31 min-1,是AgBr(0.008 07 min-1)的3.38倍、AgBr-rGO(0.5%)(0.015 98 min-1)的1.7倍、Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1))/AgBr(0.015 19 min-1)的1.8倍。Cu(Ⅱ)助劑與石墨烯復(fù)合協(xié)同作用增強(qiáng)光催化性能的原因是:Cu(Ⅱ)易于捕獲光生電子,石墨烯比表面積大,可為Cu(Ⅱ)提供更多的還原位點(diǎn),加快了AgBr上的光生電子-空穴對的有效分離。本研究可以為制備高性能AgBr光催化劑提供新的思路。

        AgBr;Cu(Ⅱ)助劑;石墨烯;協(xié)同作用;可見光光催化性能

        光催化技術(shù)因高效降解有機(jī)污染物、清潔無污染的優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于環(huán)境治理領(lǐng)域[1]。在半導(dǎo)體光催化材料中,傳統(tǒng)的TiO2由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無二次污染而受到關(guān)注[2]。但是,它的帶隙較寬,只能利用約占太陽光能量5%的紫外光,無法利用太陽光中可見光[3-4]。因此,尋找能利用可見光的光催化劑成為研究的重點(diǎn)[5-7]。最近,很多研究證明銀類化合物是一類新型高效的可見光光催化材料,在光催化降解水中有機(jī)污染物的過程中,往往表現(xiàn)出比傳統(tǒng)TiO2更高的光催化活性[8-10]。為了進(jìn)一步提高銀類光催化劑的性能,發(fā)展各種改性方法是非常重要的研究課題。

        一方面,離子助劑修飾光催化劑是提高光催化性能的有效方法之一[11-13]。作者所在課題組之前的工作采用低溫離子注入法以Cu(Ⅱ)和Fe(Ⅱ)修飾銀類化合物以提高其催化性能[12-13]。降解甲基橙的實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)Fe(Ⅱ)修飾的AgBr最高性能是AgBr的2.35倍[12],經(jīng)Cu(Ⅱ)修飾的AgCl最高性能是AgCl的2.1倍[13]。其基本原理是:當(dāng)銀類化合物表面經(jīng)過渡金屬離子改性后,催化劑表面的光生電子易于被催化劑表面的過渡金屬離子捕獲,再與空氣中的氧氣反應(yīng),使銀類化合物上的光生電子-空穴對得到有效分離,因而Cu(Ⅱ)/銀類化合物復(fù)合可見光光催化劑具有更高的光催化活性。另一方面,很多研究證明石墨烯復(fù)合是提高光催化性能的一種有效方法[14-16]。我們之前的工作采用Ag離子與石墨烯復(fù)合再經(jīng)FeCl3氧化,制備得到的Ag/AgCl-rGO性能是Ag/AgCl的2.0~2.4倍[14]。另有研究發(fā)現(xiàn)用油水微乳液法制備的Ag/AgBr-GO(GO指氧化石墨烯)對甲基橙的降解百分率最高達(dá)94%,遠(yuǎn)大于Ag/AgBr的62%[16]。石墨烯復(fù)合能提高光催化劑降解性能的主要原因是:石墨烯的比表面積大,可提供更多的活性位點(diǎn),有很高的電子遷移率,能有效的轉(zhuǎn)移光生電子并促進(jìn)與空穴的分離。由上可知,離子助劑修飾和石墨烯復(fù)合都是提高光催化性能的有效方法,但目前還沒有過渡金屬離子和石墨烯協(xié)同作用來提高銀類光催化劑可見光光催化性能的報(bào)道。

        本研究為進(jìn)一步提高AgBr的可見光光催化性能,利用簡單、低溫的溶液法制備了Cu(Ⅱ)助劑和石墨烯復(fù)合協(xié)同作用的高效Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO復(fù)合可見光光催化劑。采用了XRD、XPS、FESEM、紫外光譜和拉曼光譜等測試手段對合成的復(fù)合催化劑進(jìn)行表征,并測試了在可見光下降解甲基橙的光催化性能。最后,分析了Cu(Ⅱ)助劑和石墨烯復(fù)合協(xié)同作用下的光催化機(jī)理。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要試劑

        Cu(NO3)2·3H2O、NaBr、AgNO3和抗壞血酸均為分析純,購于上?;瘜W(xué)試劑公司。所用水均為去離子水。氧化石墨稀(GO)溶液為本課題組制備,方法見文獻(xiàn)[17]。

        1.2 樣品制備

        1.2.1 AgBr

        取1 mL 0.6 mol·L-1AgNO3溶液滴加到1 mL 0.6 mol·L-1NaBr溶液中,反應(yīng)生成AgBr固體后,用去離子水洗滌3次,自然晾干后即得到0.1 g淡黃色AgBr粉末。

        1.2.2 AgBr-rGO

        將一定量石墨烯溶液滴加到1 mL 0.6 mol·L-1AgNO3溶液中,磁力攪拌45 min,使石墨烯充分吸附Ag+,形成Ag+-GO。再把1 mL 0.6 mol·L-1NaBr溶液滴加到上述溶液,靜置得到沉淀即為原位生成的AgBr-GO固體。用去離子水洗滌3次,自然晾干后得到AgBr-GO樣品。再加入0.1 g抗壞血酸,繼續(xù)攪拌30 min,將產(chǎn)物用去離子水洗滌3~4次,室溫晾干后,得到以抗壞血酸作為還原劑還原后的AgBrrGO復(fù)合光催化劑0.1 g。樣品編號為AgBr-rGO (Xwt%),其中X為石墨烯的質(zhì)量百分比。

        1.2.3 Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO

        取0.05 g制備好的AgBr-rGO(0.5wt%)復(fù)合光催化劑,加入到不同濃度的Cu(NO3)2溶液中,磁力攪拌45 min,靜置,用去離子水洗滌3次,室溫晾干,得到產(chǎn)物。樣品編號為Cu(Ⅱ)(Y)/AgBr-rGO,Y為Cu(NO3)2溶液的濃度。為了與Cu(Ⅱ)直接修飾AgBr的樣品進(jìn)行對比,用相同方法將0.05 g AgBr固體加入到0.5 mol·L-1Cu(NO3)2溶液中,所制備的樣品編號為Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBr。

        1.3 光催化性能測試

        光催化性能測試參考文獻(xiàn)[18]的方法進(jìn)行。具體步驟如下:在室溫下,稱取0.05 g光催化劑置于干燥清潔的培養(yǎng)皿中(其直徑為5 cm),加入10 mL濃度為20 mg·L-1甲基橙溶液。在黑暗中放置約1 h,使之達(dá)到吸附平衡。然后放置在可見光源為裝有濾光片(濾去波長小于400 nm的紫外光)的氙燈下照射,平均光強(qiáng)為40 mW·cm-2。每照射3 min后,取上清液在波長553 nm用可見分光光度計(jì)(722N型,上海精密科學(xué)儀器有限公司)測定吸光度。由于甲基橙水溶液在較低濃度下的光催化降解反應(yīng)屬于準(zhǔn)一級反應(yīng),反應(yīng)物濃度(c)和反應(yīng)時間(t)之間滿足對數(shù)關(guān)系ln(c0/ct)=kt(其中c0和ct分別是初始濃度和反應(yīng)到t時刻的濃度,k為速率常數(shù)),因此,可用降解甲基橙的速率常數(shù)k來評價光催化性能。

        1.4 樣品表征

        采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的D/Max-RB型X射線粉末衍射儀測定樣品的晶相。利用USA-FEI公司的Quanta x50型場發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的形貌。利用日本Shimadzu公司生產(chǎn)的型號為UV-2450的紫外-可見分光光度計(jì)測定紫外-可見漫反射光譜,測試標(biāo)樣為BaSO4。采用英國Renishaw公司的INVIA拉曼光譜儀測定樣品的拉曼光譜。采用英國Kratos Ltd公司生產(chǎn)的型號為VG Multilab 2000的XPS儀器測定X射線光電子能譜。

        圖1 不同樣品的XRD圖Fig.1XRD patterns of different samples

        圖2 不同樣品的場發(fā)射掃描電鏡圖Fig.2FESEM images of different samples

        2 結(jié)果與討論

        2.1 樣品的結(jié)構(gòu)和形貌分析

        圖1a是AgBr的XRD圖,所有衍射峰都符合標(biāo)準(zhǔn)AgBr圖譜(PDF文件卡號79-0149),可以確定合成的產(chǎn)物為AgBr。圖1b和圖1c分別是石墨烯復(fù)合和Cu(Ⅱ)修飾后AgBr的圖譜,與圖1a具有相同的衍射峰,說明低溫下石墨烯復(fù)合和Cu(Ⅱ)助劑修飾都不影響AgBr的晶型。圖1d是石墨烯和Cu(Ⅱ)協(xié)同作用后的AgBr圖譜,由圖譜可以看出AgBr的晶型沒有發(fā)生變化。以上結(jié)果表明,石墨烯復(fù)合、Cu(Ⅱ)助劑修飾及兩者協(xié)同修飾后的AgBr,具有與純AgBr相同的XRD特征峰,說明石墨烯復(fù)合、Cu(Ⅱ)修飾以及兩者協(xié)同修飾過程都不影響AgBr的晶型和晶化程度。

        圖2是不同樣品的場發(fā)射掃描電鏡圖。從圖2a可以看出AgBr是顆粒狀的,顆粒大小范圍在0.5~2 μm。從圖2b可以發(fā)現(xiàn),AgBr與石墨烯復(fù)合后顆粒大小變化不大,石墨烯薄紗狀表面附著了大量的AgBr顆粒,表明AgBr與石墨烯成功復(fù)合。圖2c是經(jīng)Cu(Ⅱ)修飾后的AgBr顆粒,大小與AgBr相差不大,而且由插圖中的EDS圖也可以看出顆粒表面有微量的Cu元素存在。圖2d是石墨烯和Cu(Ⅱ)共修飾后的AgBr,可以看到其顆粒大小與AgBr相近,AgBr顆粒分布在石墨烯表面,由插圖中的EDS圖同樣也可以看出AgBr-rGO表面有微量的Cu元素存在。所以,掃描電鏡圖片為本研究成功制備了Cu(Ⅱ)助劑和石墨烯共修飾的Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO光催化劑提供了有力的證據(jù)。

        圖3為不同樣品的UV-Vis譜圖。從圖3a中可以看出,AgBr樣品呈淡黃色,吸收邊在480 nm左右。根據(jù)AgBr樣品的紫外漫反射的曲線,可以計(jì)算出AgBr的禁帶為2.54 eV,與文獻(xiàn)報(bào)道的2.5 eV非常接近[19]。圖3b是經(jīng)石墨烯復(fù)合后的灰黑色AgBrrGO樣品,吸收邊藍(lán)移,這可能是量子限域引起的[20]。圖3c是樣品Cu(Ⅱ)/AgBr,顏色和純AgBr樣品接近,兩者的吸收邊完全一樣,說明用Cu(Ⅱ)修飾AgBr后并不影響AgBr對光譜的吸收。圖3d是石墨烯和Cu(Ⅱ)協(xié)同作用后的AgBr,顏色也是灰黑色,其吸收邊和AgBr-rGO基本一樣。從圖3b、d中可以看出,樣品在480~630 nm之間有少量吸收。因此,由譜圖可以看出,石墨烯復(fù)合后的AgBr在可見光區(qū)的吸收均有所增強(qiáng),Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBr-rGO (0.5wt%)吸收最強(qiáng)。

        圖3 不同樣品的紫外漫反射光譜Fig.3UV-Vis diffuse reflectance spectra of different samples

        圖4 不同樣品的拉曼光譜Fig.4Raman spectra of different samples

        圖5 不同樣品的X射線光電子能譜Fig.5XPS spectra of different samples

        圖4的拉曼光譜可以提供石墨烯的結(jié)構(gòu)信息。由文獻(xiàn)[21]可知,石墨烯的拉曼光譜有D峰與G峰兩個特征峰。圖4a和圖4c AgBr的拉曼曲線上沒有D峰與G峰的存在。而從圖4b及圖4d可以分別看出AgBr-rGO和Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO復(fù)合材料在1 327 cm-1和1 587 cm-1處有明顯的D峰和G峰。因此,拉曼光譜中D峰與G峰的存在為石墨烯與AgBr成功復(fù)合提供了明確的證據(jù),與之前掃描電鏡結(jié)果相符。

        圖5是氧化石墨烯(GO)和Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/ AgBr-rGO的XPS圖譜。從圖5a中可以看出氧化石墨烯含氧官能團(tuán)的主要分布。在波數(shù)284.8 cm-1處的是C-C、C=C和C-H,而C-OH和C-O-C對應(yīng)在286.6 cm-1波數(shù)處,C=O和HO-C=O分別分布在波數(shù)287.6和288.4 cm-1處[18]。圖5b是用抗壞血酸還原后的Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO復(fù)合光催化劑,與氧化石墨烯對比可明顯發(fā)現(xiàn),含氧官能團(tuán)C-OH、C-O-C、C=O和HO-C=O強(qiáng)度很明顯的下降,說明含氧基團(tuán)明顯減少,氧化石墨烯被還原為還原石墨烯(rGO)。由此可以證明,實(shí)驗(yàn)所制備Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO復(fù)合光催化劑中的石墨烯是還原石墨烯。

        2.2 光催化性能及光催化機(jī)理分析

        圖6是樣品在可見光下對甲基橙的降解速率常數(shù)柱形圖。圖6a表示純AgBr的速率常數(shù),數(shù)值為0.008 07 min-1。從圖6b和圖6c柱形可以得出,經(jīng)過石墨烯復(fù)合或Cu(Ⅱ)修飾過的AgBr的光催化性能與純AgBr(圖6a)相比,都有了明顯的提高。由圖6d、e、f、g可明顯發(fā)現(xiàn):在石墨烯含量相同的情況下(0.5wt%),Cu(Ⅱ)濃度從0.05 mol·L-1增加到0.5 mol ·L-1,光催化性能逐漸提升,其中,Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/ AgBr-rGO(圖6f)的速率常數(shù)達(dá)到最高值0.027 31 min-1,是圖6b速率常數(shù)(0.015 98 min-1)的1.7倍左右,是Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBr(圖6c)速率常數(shù)(0.015 19 min-1)的1.8倍左右。當(dāng)Cu(Ⅱ)濃度增加到1 mol·L-1時,性能比0.5 mol·L-1時略有下降,但仍然比石墨烯和Cu(Ⅱ)單獨(dú)修飾的樣品性能要高。綜上可知,石墨烯和Cu(Ⅱ)協(xié)同作用的AgBr光催化性能分別比純AgBr、經(jīng)石墨烯復(fù)合、經(jīng)Cu(Ⅱ)助劑修飾的光催化性能都高。

        圖6 不同光催化劑降解甲基橙的速率常數(shù)(樣品石墨烯含量皆為0.5wt%)Fig.6Rate constant(k)of the MO decomposition by various photocatalysts

        為了驗(yàn)證光催化劑的性能穩(wěn)定性,測定了AgBr、AgBr-rGO(0.5wt%)和Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBrrGO(0.5wt%)樣品的4次循環(huán)性能圖(圖7)。由圖可以發(fā)現(xiàn):樣品Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBr-rGO(0.5wt%)的光催化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于AgBr-rGO(0.5wt%),而樣品AgBr-rGO(0.5wt%)的光催化性能始終高于AgBr。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,樣品的性能略有下降,性能降低可能的原因是多次循環(huán)、多次洗滌和離心造成光催化劑的量(原始的光催化劑質(zhì)量只有0.05 g)有部分損失。但總體來說,石墨烯與Cu(Ⅱ)協(xié)同修飾的樣品性能都要高于石墨烯復(fù)合AgBr和純AgBr。因此,Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBr-rGO(0.5wt%)的性能是比較穩(wěn)定的。

        圖8是Cu(Ⅱ)助劑與石墨烯協(xié)同增強(qiáng)AgBr可見光光催化性能的機(jī)理圖。由電子排布可知,Cu(Ⅱ)的外層電子結(jié)構(gòu)為3d94s0,在捕獲一個電子后,形成比較穩(wěn)定的3d104s0的Cu(Ⅱ)。在可見光的照射下,AgBr價帶上的電子發(fā)生躍遷,被激發(fā)到導(dǎo)帶,并留下空穴,而生成的電子-空穴對則轉(zhuǎn)移到AgBr的表面,極易被光催化劑表面的Cu(Ⅱ)捕獲,形成的Cu(Ⅱ)再與空氣中的氧氣反應(yīng),又被氧化成Cu(Ⅱ)附著在AgBr表面[13]。當(dāng)AgBr復(fù)合石墨烯后,由于石墨烯具有很高的電子遷移率,能有效地轉(zhuǎn)移電子,防止電子-空穴的再次復(fù)合;另外,石墨烯具有很大的比表面積,可為Cu(Ⅱ)提供更多的活性位點(diǎn)。因此,在Cu(Ⅱ)和石墨烯兩者共修飾AgBr后,光生電子轉(zhuǎn)移的速度得到明顯地加快,Cu(Ⅱ)捕獲電子的效率提高,可以大幅度的提高光生電子-空穴對的分離,極大的提高了Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO可見光光催化活性。

        圖7 不同樣品的循環(huán)性能圖Fig.7Cycling runs of different samples

        圖8 Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO光催化機(jī)理示意圖Fig.8Schematic diagram showing the possible photocatalytic mechanism Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO

        3 結(jié)論

        本研究采用低溫的溶液法成功制備了Cu(Ⅱ)助劑和石墨烯共修飾的高效AgBr光催化劑。以掃描電鏡加元素分析以及拉曼光譜證明了成功制備Cu(Ⅱ)/AgBr-rGO復(fù)合光催化劑,以X射線光電子能譜證明了復(fù)合光催化劑中的石墨烯為還原石墨烯。經(jīng)石墨烯和Cu(Ⅱ)協(xié)同共修飾的AgBr光催化劑表現(xiàn)出很高的可見光光催化性能,其中Cu(Ⅱ)(0.5 mol· L-1)/AgBr-rGO(0.5wt%)具有最高性能,遠(yuǎn)高于AgBr、AgBr-rGO(0.5%)和Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBr,而且該光催化劑經(jīng)多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)證明性能比較穩(wěn)定。Cu(Ⅱ)助劑與石墨烯復(fù)合協(xié)同作用增強(qiáng)光催化性能的原因是:Cu(Ⅱ)易于捕獲光生電子,而石墨烯比表面積大,可提供更多的還原位點(diǎn),兩者協(xié)同作用使銀類化合物上的光生電子-空穴對得到有效分離,有效地提高可見光光催化性能。

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        Cooperation Effect of Cu(Ⅱ)Cocatalyst and Graphene for Enhanced AgBr Visible-light Photocatalytic Performance

        WANG Ming-FangWANG Ping*XU Shun-QiuLI Xiao-Zheng
        (Department of Chemistry,School of Chemistry,Chemical Engineering and Life Science, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

        In this study,a simple low-temperature solution-impregnation method was developed for the fabrication of highly efficient AgBr photocatalyst with cooperation effect of Cu(Ⅱ)cocatalyst and graphene.Photocatalytic experimental results for the depolarization of methyl orange(MO)aqueous solution indicated that the AgBr with cooperation effect of Cu(Ⅱ)cocatalyst and graphene displayed very good photocatalytic activity.Especially,Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBr-rGO(0.5wt%)(rGO,reduced graphene oxide)showed the highest photocatalytic activity with a rate constant 0.027 31 min-1,while this value is higher than that of the pure AgBr(0.008 07 min-1),AgBr-rGO(0.5%) (0.015 98 min-1)and Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L-1)/AgBr(0.015 19 min-1)by a factor of 3.38,1.7 and 1.8,respectively.The reason for enhanced photocatalytic performance is that Cu(Ⅱ)can quickly catch the photogenerated electrons from AgBr and graphene has large specific surface which may provide a lot reduction active sites for Cu(Ⅱ),resulting in a rapid separation of photogenerated electrons and holes.This work may provide the new insights for the preparation of high performance AgBr photocatalyst.

        AgBr;Cu(Ⅱ)cocatalyst;graphene;cooperation effect;visible-light photocatalytic activity

        O643.36

        A

        1001-4861(2015)10-1981-06

        10.11862/CJIC.2015.235

        2015-03-02。收修改稿日期:2015-07-04。

        國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(No.20141049714006)和國家自然科學(xué)基金(No.21477094)資助項(xiàng)目。

        *通訊聯(lián)系人。E-mail:wangping0904@whut.edu.cn

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