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        水熱合成蒲公英狀A(yù)g3PO4及其光催化性質(zhì)研究

        2017-03-28 11:36:24賀益強李先進史玉蕊
        長春師范大學學報 2017年2期
        關(guān)鍵詞:水熱氨水光催化劑

        賀益強,李先進,史玉蕊,周 崗,宋 哲

        (長春師范大學化學學院,吉林長春 130032)

        水熱合成蒲公英狀A(yù)g3PO4及其光催化性質(zhì)研究

        賀益強,李先進,史玉蕊,周 崗,宋 哲

        (長春師范大學化學學院,吉林長春 130032)

        本文采用水熱合成法合成表面具有大量絨毛分級結(jié)構(gòu)蒲公英狀A(yù)g3PO4,并利用X射線衍射儀(XRD)、電子掃描顯微鏡(SEM)、紫外可見分光光度計等對其進行表征。實驗結(jié)果表明,水熱合成法制備的Ag3PO4與非水熱合成的Ag3PO4顆粒在形貌上有明顯不同??梢姽庀?在甲基橙(MO)光催化實驗中,非水熱合成法得到的Ag3PO4光催化效率明顯低于蒲公英狀A(yù)g3PO4,這得益于蒲公英狀A(yù)g3PO4表面具有大量的光催化活性位點。蒲公英狀A(yù)g3PO410 min 內(nèi)對100 mL 10 mg/L的甲基橙的降解效率是普通Ag3PO4顆粒的3.08倍。

        蒲公英狀A(yù)g3PO4;水熱合成;光催化活性

        自1972年Fujishima和Honda[1]發(fā)現(xiàn)TiO2可以分解水制取氫氣和氧氣以來,半導體光催化劑因在對環(huán)境的修復和有機廢水的處理方面表現(xiàn)出降解污染物完全、重復次數(shù)多、不產(chǎn)生二次污染等一系列優(yōu)點而受到廣泛的重視。但是TiO2的禁帶寬度達到3.2 eV,以至于對太陽能量子化吸收率只有4%左右,即只有在紫外光下才能發(fā)生反應(yīng),這大大限制了其在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用[2]。

        2010年,葉金花及其課題組發(fā)現(xiàn)Ag3PO4對降解有機物污染染料和分解水制取氧氣有較好的效果。Ag3PO4能吸收長于520 nm波長的可見光,而且其光催化量子產(chǎn)率達到90%以上。因此,采用Ag3PO4作為半導體光催化劑對環(huán)境保護與治理具有重要的作用。

        催化劑的形貌可以改變催化劑的比表面積,從而改變其對污染物的吸附性能,直接影響其催化性能。目前來看,Ag3PO4合成的形貌有立方體狀[3]、菱形十二面體[4]、四面體[5]、二十四面體[6]。本實驗通過簡單水熱合成和加入適量氨水輔助,首次合成蒲公英狀A(yù)g3PO4半導體光催化劑,并通過降解甲基橙染料實驗發(fā)現(xiàn)其光催化性能明顯優(yōu)于非水熱合成的Ag3PO4顆粒。

        1 材料與方法

        1.1 試劑

        硝酸銀(天津市博迪化工有限公司,AR);十二水合磷酸三鈉(國藥集團化學試劑有限公司,AR);無水乙醇(北京化學試劑公司,AR);氨水(北京化學試劑公司,質(zhì)量分數(shù)25%)。

        1.2 樣品制備

        稱取0.712 g AgNO3溶于5 mL 超純水中形成A液并在磁力攪拌器上攪拌,0.456 g Na3PO4·12H2O 溶于5 mL 超純水中形成B液并在磁力攪拌器上攪拌;量取0.3 mL 質(zhì)量分數(shù)為25%的氨水溶液溶于5 mL 超純水中形成C液;將A液轉(zhuǎn)移至C液中并開始攪拌形成D液,隨后將B液逐滴加入D液中,并在攪拌器上攪拌10 min;最后將所得到的溶液轉(zhuǎn)移至25 mL 聚四氟乙烯反應(yīng)釜中(填充度為60%),在150 ℃的烘箱反應(yīng)24 h,冷卻至室溫,分別用超純水和無水乙醇對樣品各清洗三遍,在離心機下5000 r/min 離心10 min,將所得到的樣品放入烘箱中70 ℃ 12 h。沒有用水熱合成的Ag3PO4顆粒使用同樣的方法合成。

        1.3 光催化性能實驗

        光催化劑使用量為0.05 g,降解染料為10 mg/L 的甲基橙(MO)溶液。打開溫度為25 ℃的循環(huán)水并將合成的樣品與染料在黑暗條件下充分攪拌40 min達到吸附平衡,使用外照式300 W Xe 燈光源(PLS-SXE300,北京伯萊菲科技有限公司),使用420 nm截止波長濾光片獲得可見光,每隔10 min用取樣器吸取3 mL 樣品,用高速離心機在5000 r/min10 min除去催化劑,采用紫外可見分光光度計在MO最大吸收波長466 nm下測量其吸光度,并通過E=C/CO來反映光催化劑對MO的降解作用 (CO為MO原始濃度,C為反應(yīng)過程中MO的濃度)。

        1.4 樣品表征

        采用D8-Advance型X射線衍射儀分析樣品的晶型,X射線線源為CuKα(λ=0.15406 nm),加速電壓和電流分別為30 KV和40 mA,掃描速度為0.1°/s,掃描范圍為10°~80°;電子掃描顯微鏡(SEM)型號為SU8000(工作電壓為15 KV);紫外可見分光光度計(UV-1601型號)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 XRD分析

        圖1中A和B分別為水熱合成和非水熱合成的Ag3PO4XRD 衍射圖像,與PDF標準卡片(No.06-0505)對照,XRD衍射角為20.92°,29.74°,33.36°,36.66°,42.55°,47.88°,52.76°,55.12°,分別屬于Ag3PO4的(110), (200), (210), (211), (220), (310), (222), (320)。 而且從衍射圖像中可以看出衍射峰尖銳,表明此實驗在水熱情況下和非水熱條件下形成的Ag3PO4晶型較好。

        圖1 Ag3PO4 XRD 衍射圖像(A:水熱合成;B:常溫合成)

        2.2 掃描電子顯微鏡分析

        為了比較普通Ag3PO4和水熱合成的Ag3PO4的形貌,對樣品進行SEM表征。圖2、圖3分別是非水熱合成和水熱合成的樣品掃描電鏡(SEM)圖像。從圖3可以看出水熱合成Ag3PO4表面明顯有大量絨毛狀分級結(jié)構(gòu)出現(xiàn),形貌類似蒲公英的花絮。這樣的表面具有比普通Ag3PO4更多的擔載點[7],在光催化降解過程中有更大的比表面積,可以吸附更多的染料,從而降解速率和效率高于常溫合成的Ag3PO4顆粒,這也符合蒲公英狀A(yù)g3PO4在幾分鐘之內(nèi)就可以把100 mL 10 mg/L的甲基橙降解完全的現(xiàn)象,說明溫度能對Ag3PO4的形貌進行改善。

        圖2 常溫合成的Ag3PO4

        圖3 水熱合成具有大量絨毛分級結(jié)構(gòu)蒲公英狀A(yù)g3PO4

        2.3 可見光降解性能對比

        本實驗通過染料MO來表現(xiàn)半導體光催化劑在可見光下對有機物污染物降解情況。圖4中A曲線和B曲線分別為常溫下和水熱條件下合成的Ag3PO4對MO的降解效果圖。蒲公英狀A(yù)g3PO4在10 min時降解率達到98.32%,而常溫下合成的Ag3PO4在10 min內(nèi)對MO降解率只有31.88%。蒲公英狀A(yù)g3PO4的催化速率是常溫下合成的Ag3PO4的3.08倍。

        為了得到蒲公英狀A(yù)g3PO4降解MO的光譜掃描曲線,對樣品進行了光譜掃描分析(圖5),可以看出,MO在466 nm左右有最大吸收波長。在10 min左右吸收曲線在466 nm處最大吸收峰幾乎降為0,進一步證明了圖3中蒲公英狀A(yù)g3PO4的高效催化能力。

        圖4 Ag3PO4光催化曲線(A:常溫合成;B:水熱合成)

        圖5 水熱合成蒲公英狀A(yù)g3PO4紫外可見吸收光譜變化圖

        2.4 機理分析

        由光催化降解100 mL 10 mg/L MO 溶液實驗可以發(fā)現(xiàn)水熱合成的蒲公英狀A(yù)g3PO4光催化效率和速率明顯高于常溫下合成的Ag3PO4,根據(jù)圖2和圖3我們可以推出一個可能的反應(yīng)機理。水熱合成類似蒲公英狀的表面具有大量絨毛狀的分級結(jié)構(gòu),在光催化反應(yīng)的過程中能為MO提供大量的載位點,使得MO與Ag3PO4增加了界面接觸面積,在光催化條件下,具有分級結(jié)構(gòu)的Ag3PO4空穴產(chǎn)生·OH,增加了與MO的反應(yīng)幾率,從而大大提升對MO的降解速率。

        由已有的文獻可知,水熱合成是常見的合成方法,因具有便捷性[8]、改變樣品形貌[9]、水熱改性[10]等特點而備受關(guān)注。本文經(jīng)過簡單的水熱加氨水輔助法合成了一種表面具有大量絨毛分級結(jié)構(gòu)的蒲公英狀A(yù)g3PO4。由于本實驗只改變了一個變量即水熱與非水熱過程,這樣我們提出了一個形成的可能機理:根據(jù)已有的文獻在氨水輔助下能合成光催化劑Ag3PO4有形成棒狀[11],由本實驗常溫下合成的Ag3PO4形貌分析,所以表面具有大量絨毛分級結(jié)構(gòu)蒲公英狀A(yù)g3PO4的合成很可能是在水熱條件下Ag3PO4結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,在適量的氨水輔助條件下。Ag3PO4發(fā)生了部分溶解與重新生成的過程,由于氨水的量可能不足以將整個Ag3PO4溶解,所以出現(xiàn)了表面具有絨毛狀分級結(jié)構(gòu)蒲公英狀A(yù)g3PO4的生成;如果進一步加大氨水的量,Ag3PO4將全部轉(zhuǎn)化為納米棒狀A(yù)g3PO4,此推論可與之前報道過的文獻相對應(yīng),具體反應(yīng)還需要下一步實驗驗證。

        3 結(jié)論

        本實驗通過水熱氨水輔助法合成了一種表面具有大量絨毛分級結(jié)構(gòu)蒲公英狀A(yù)g3PO4,通過對其進行光催化性質(zhì)研究,可以發(fā)現(xiàn)該半導體光催化劑在可見光下具有高效催化降解MO的性能。根據(jù)以上的討論,得出以下結(jié)論:(1)蒲公英狀A(yù)g3PO4因為其表面具有大量絨毛狀分級結(jié)構(gòu),故能提供大量的擔載位點,這將大大增加與MO接觸的界面面積,提升其降解MO的效率和速率,在催化100 mL 10 mg/L MO溶液實驗中,蒲公英狀A(yù)g3PO4的催化速率,在10 min時降解率是常溫合成Ag3PO4的3.08倍。(2)一種表面具有大量絨毛狀分級結(jié)構(gòu)將可以提供巨大的比表面積,作為催化劑將大大增加與反應(yīng)物之間的界面效應(yīng),也可以和其它催化劑形成異質(zhì)結(jié)復合催化劑,在催化領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。

        [1]Fujishima A,Honda K J.Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode[J].Nature,1972(5358):37-38.

        [2]MIAO Y, WU B H, ZENG G W, et al. Relation between changes inultrastructure and composition of cell wall and calcium-relatedphysiological disorder of Chinese cabbage[J]. Acta Phytophysio-logica Sinica, 2000(2): 111-116.

        [3]Bi YP, Hu HY, Ouyang SX,et al.Photocatalytic and photoelectric properties of cubic Ag3PO4sub-microcrystals with sharp corners and edges[J]. Chem Commun,2012(48):3748-3750 .

        [4]Bi YP, Ouyang SX, Umezawa N, et al. Facet effect of single-crystalline Ag3PO4sub-microcrystals on photocatalytic properties[J]. J Am Chem Soc,2011(33):6490-6492.

        [5]Hu HY,Jiao ZB,Yu HC,et al.Facile synthesis of tetrahedral Ag3PO4submicro-crystals with enhanced photocatalytic properties[J]. Mater Chem A,2013(1):2387-2390.

        [6]Jiao ZB, Zhang Y, Yu HC,et al.Concave trisoctahedral Ag3PO4microcrystals with high-index facets and enhanced photocatalytic properties[J].Chem Commun,2012(49):636-638.

        [7]李衛(wèi)兵,馮昌,岳繼光,等.TiO2分級結(jié)構(gòu)/Ag3PO4復合材料的可見光催化性能[J].高等學?;瘜W學報,2015(6):1194-1201.

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        [11]郭家偉,張光勝,劉琪.Ag3PO4納米棒的制備及其光催化性能的研究[J].化工新型材料,2013(5):119-121,124.

        Hydrothermal Preparation and Photocatalytic Performance of Dandelion-like Ag3PO4

        HE Yi-qiang,LI Xian-jin,SHI Yu-rui,ZHOU Gang,SONG Zhe

        (Faculty of Chemistry, Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032, China)

        In this paper, a novel photocatalytic dandelion-like Ag3PO4was prepared by hydrothermal method, which surface full of a large number of villi hierarchical structures. The phase and shape of the photocatalytic was characterized by XRD, SEM, UV-vis. Results showed that the morphology of Ag3PO4existed obviously different between hydrothermal and non-hydrothermal method. Meanwhile, under the condition of visible-light, the photocatalytic activity was tested by methyl orange (MO 100 ml 10 mg/L). Owning to the surface of dandelion-like Ag3PO4had a lot of photocatalytic activity points, the photocatalytic degradation efficiency of dandelion-like Ag3PO4to MO was 3.08 times higher than normal Ag3PO4particles in 10 min.

        dandelion-like Ag3PO4; hydrothermal method; photocatalytic performance

        2016-10-28

        吉林省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“不同形貌Ag3PO4摻雜TiO2光催化性質(zhì)研究”(201610205130);吉林省教育廳“十二五”科學技術(shù)研究項目“新型無機-有機雜化光電材料的合成與設(shè)計”([2014]268);長春師范大學自然科學基金項目“含氮雜環(huán)配體過渡金屬配位聚合物的合成和性能研究”([2009]005,[2010]009)。

        賀益強(1995- ),男,長春師范大學化學學院學生,從事光催化納米材料方面研究。

        宋 哲(1971- ),男,講師,博士,從事光催化納米材料方面研究。

        O643

        A

        2095-7602(2017)02-0184-04

        注:本研究為吉林省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目。項目組成員:賀益強,李先進,史玉蕊,周崗;指導教師:宋哲。

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