閻 鑫 惠小艷 高 強 余高杰 莫云城 葉梓萌 李俊春 馬梓譯 孫國棟

Ag3PO4/MoS2納米片復合催化劑制備及可見光催化性能

閻 鑫＊惠小艷 高 強 余高杰 莫云城 葉梓萌 李俊春 馬梓譯 孫國棟

(長安大學材料科學與工程學院，西安 710064)

采用機械球磨法成功制備Ag3PO4/MoS2納米片復合催化劑。運用X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外可見漫反射光譜(UV-Vis)和熒光發(fā)射光譜(PL)對復合催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌進行了表征。結(jié)果表明，Ag3PO4納米粒子均勻地附著在MoS2納米片層結(jié)構(gòu)上，兩者形成緊密結(jié)合。以亞甲基藍為模擬污染物，研究復合催化劑在可見光照射下的光催化特性；通過循環(huán)實驗考察復合催化劑的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，含有1%的MoS2納米片與Ag3PO4形成的復合催化劑在30 min內(nèi)對亞甲基藍的降解率為95%，其降解動力學常數(shù)是純相Ag3PO4的2倍。經(jīng)過5次循環(huán)實驗后復合催化劑對于亞甲基藍的降解率為84%，而純Ag3PO4對于亞甲基藍的降解率僅為35%。Ag3PO4/MoS2納米片復合催化劑具有優(yōu)良的光催化活性和高穩(wěn)定性，主要歸因于二硫化鉬納米片與磷酸銀形成異質(zhì)結(jié)，磷酸銀激發(fā)的電子和二硫化鉬納米片產(chǎn)生的空穴直接復合，從而促使光生電子從磷酸銀晶體表面快速分離，減輕了磷酸銀的光電子腐蝕，同時也提高了復合物的光催化活性。

Ag3PO4；MoS2納米片；機械球磨法；可見光催化

0 引 言

隨著人類社會和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺問題己經(jīng)引起了人類的高度重視。光催化技術(shù)因具有低能耗、無污染的優(yōu)點，在環(huán)境污染治理中發(fā)揮著越來越重要的作用[1-5]。目前研究較多且活性較高的TiO2和ZnO等寬禁帶半導體材料，僅在紫外光下發(fā)生光催化反應(yīng)，而紫外線僅占太陽光的4%，嚴重限制了其實際應(yīng)用。因此研制具有可見光響應(yīng)的新型催化劑已成為近年來光催化領(lǐng)域的研究熱點[6-8]。Ye等[9]在2010年報道了一種新型半導體光催化劑Ag3PO4，其禁帶寬度為2.36 eV，在可見光照射下表現(xiàn)出非常強的氧化能力和光催化分解有機物的能力，其量子效率達到90%，遠遠高于其它金屬氧化物。然而，由于Ag3PO4在光催化反應(yīng)過程中容易受到光電子的腐蝕而變得不穩(wěn)定，從而限制了其應(yīng)用。為此，科研人員采用多種方法來解決這一問題，如通過設(shè)計各種形貌不同的Ag3PO4納米結(jié)構(gòu)[10-11]，或者將Ag3PO4與其他半導體進 行 復 合 。 如 C3N4/Ag3PO4[12]、graphene/Ag3PO4[13]、CNT/Ag3PO4[14]、AgX/Ag3PO4(X=Cl，Br，I)[15]。 研究結(jié)果表明，將Ag3PO4與其他半導體進行復合可以設(shè)計出穩(wěn)定性更好的復合光催化劑。

MoS2作為一種典型的層狀過渡金屬二硫化物，具有良好的光、電及催化性質(zhì)。與塊體材料相比，MoS2納米片的禁帶寬度從1.22 eV增加到1.97 eV，并且由間接帶隙半導體變?yōu)橹苯訋栋雽w。作為光催化劑，它能吸收可見光，提高可見光的利用效率；其次納米片具有高的比表面積，能吸附更多反應(yīng)物分子，這些特點使得二硫化鉬納米片在光催化制氫和光催化降解有機物污染物方面具有十分重要的應(yīng)用[16-18]。目前，有文獻[19-24]報道采用少層二硫化鉬納米片與Ag3PO4進行復合，顯著提高了有機物污染物的降解效率。但文獻中使用的復合方法需要高溫以及比較復雜的工藝過程，很難大規(guī)模應(yīng)用。本論文采用一種簡易的機械球磨工藝，制備Ag3PO4/MoS2納米片復合光催化劑。球磨工藝簡單且能耗低，可以大規(guī)模應(yīng)用于復合催化劑的合成與制備。根據(jù)文獻檢索，目前尚無球磨法制備Ag3PO4/MoS2納米片復合光催化劑的報道。本研究對制備得到的Ag3PO4/MoS2納米片復合光催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌進行表征。以亞甲基藍為模擬有機污染物，在可見光照射下研究復合催化劑的光催化特性，通過循環(huán)實驗考察復合催化劑的穩(wěn)定性。

1 實驗部分

1.1 Ag3PO4/MoS2納米片復合光催化劑的的制備

參照文獻[25]方法并進行改進合成二硫化鉬納米片溶液。稱取0.25 g二硫化鉬，加入到裝有適量氧化鋯珠子的球磨罐中，再加入100 mL N-甲基吡咯烷酮，在罐磨機上球磨24 h。然后將混合溶液取出，超聲8 h后，離心30 min,取上層清液，得到MoS2納米片溶液。Ag3PO4光催化劑的合成采用化學沉淀法，稱取0.17 g硝酸銀和0.15 g磷酸鈉，分別溶于去離子水中，將磷酸鈉溶液緩慢滴入硝酸銀溶液中，磁力攪拌30 min后，過濾洗滌沉淀，真空60℃干燥10 h，即可得到磷酸銀粉末。將上述得到的磷酸銀粉末，加入不同量的二硫化鉬納米片溶液，置于行星式球磨機進行球磨4 h，可得到Ag3PO4/MoS2納米片復合光催化劑。樣品標記為Ag3PO4/x%MoS2納米片(其中 x=0.5，1，2)，x%表示二硫化鉬在復合催化劑中的質(zhì)量分數(shù)。

1.2 結(jié)構(gòu)表征

采用荷蘭飛利浦公司的X射線衍射儀(Philips X′Pert MPD)進行晶體結(jié)構(gòu)測定，以Cu靶Kα作為輻射電源(波長為0.154 18 nm)，工作電壓40 kV，工作電流 20 mA， 掃描范圍：10°～70°， 掃描速度 4°·min-1。采用掃描電子顯微鏡(S-4800，工作電壓5 kV)觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌。采用透射電子顯微鏡(FEI Tecnai F30 G2，工作電壓 200 kV)研究樣品的微觀結(jié)構(gòu)。采用熒光光譜儀(Fluorolog-3)測試樣品在室溫下的發(fā)射光譜。采用紫外可見近紅外光譜儀(UV-3600)測試樣品的紫外可見漫反射光譜。

1.3 光催化實驗

以300 W氙燈為可見光光源，且在光源下放置濾光片濾去紫外光。以亞甲基藍為降解物評價催化劑的光催化活性。0.01 g催化劑加入到100 mL初始濃度為10 mg·L-1亞甲基藍水溶液中，光催化反應(yīng)前先避光磁力攪拌30 min，以建立吸附-脫附平衡。磁力攪拌下將溶液置于光源下進行光催化反應(yīng)，每隔5 min取樣1次，離心30 min后取上層清液，用可見分光光度計(721G)于664 nm測試吸光度(A)變化。根據(jù)降解率公式計算出樣品對亞甲基藍溶液的降解率。降解率η的計算公式為：

η=(C0-Ct)/C0×100%=(A0-At)/A0×100%

式中：C0為亞甲基藍溶液初始濃度，Ct為反應(yīng)過程中某時刻亞甲基藍溶液的濃度；A0和At分別為亞甲基藍溶液濃度為C0和Ct亞甲基藍溶液的吸光度值。

光催化劑光降解穩(wěn)定性測試通過離心回收光催化劑并充分干燥后進行下一次循環(huán)降解，降解條件與之前保持一致，循環(huán)次數(shù)為5次。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射分析

圖 1 是 MoS2納米片、Ag3PO4、Ag3PO4/MoS2納米片復合物的X射線衍射圖。采用化學沉淀法制備的Ag3PO4在 20.88°，29.70°,33.29°,36.59°,42.49°,47.79°,52.70°，55.02°，57.28°，61.64°處出現(xiàn)明顯的衍射峰，與立方相磷酸銀標準卡片PDF(No.06-0505)對比，分別對應(yīng)于其晶體相的(110)，(200)，(210)，(211)，(220)，(310)，(222)，(320)，(321)，(400)晶面。 以上結(jié)果表明，通過化學沉淀法成功制備了純相的Ag3PO4。通過球磨超聲聯(lián)合處理的 MoS2納米片在 14.3°，32.6°，33.4°，35.8°，39.4°，44.1°，58.2°，60.2°處出現(xiàn)衍射峰，與六方相MoS2的標準卡片PDF(No.65-0160)對比，分別對應(yīng)于其晶體相的 (002)，(100)，(101)，(102)，(103)，(006)，(110)，(008)晶面。這表明 MoS2經(jīng)過超聲剝離后仍然保持良好的結(jié)晶度。這與其他文獻[20-21]采用化學合成方法合成的MoS2納米片明顯不同。Ag3PO4/MoS2納米片復合物的XRD圖中的衍射峰主要為Ag3PO4，而未出現(xiàn)MoS2納米片的特征衍射峰。原因在于在復合物體系中MoS2的含量較低，難以被X射線衍射所檢測出。從圖中也可以看出MoS2納米片沒有改變Ag3PO4的結(jié)構(gòu)，說明MoS2納米片沒有進入Ag3PO4的晶格位置。

圖1 Ag3PO4、MoS2納米片和 Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物的XRD圖Fig.1 XRD patterns of Ag3PO4,MoS2 nanosheets and Ag3PO4/1%MoS2 nanosheets composite photocatalyst

2.2 掃描電鏡和透射電鏡分析

圖2是Ag3PO4、Ag3PO4/MoS2納米片復合物的掃描和電子透射照片。從圖2(a)中可以看出，采用化學沉淀法制備的Ag3PO4是由許多平均尺寸為30～50 nm的多晶顆粒組成，顆粒具有明顯的團聚現(xiàn)象。從圖2(b)中可以看出，Ag3PO4多晶顆粒均勻地分散于二硫化鉬納米片表面，顆粒的尺寸也減小到20 nm左右。這表明球磨工藝處理有助于Ag3PO4顆粒的進一步均勻分散，同時減小顆粒尺寸。圖2(c)是MoS2納米片的高分辨透射電鏡照片，說明經(jīng)過球磨和超聲剝離后的MoS2納米片是由3層單原子層組成，層間距0.615 nm與六方相MoS2的(002)面間距相一致。圖2(d)是Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物的透射電鏡照片，從中可以看出，Ag3PO4納米顆粒均勻地附著在MoS2納米片層上，從而形成了緊密接觸的異質(zhì)復合結(jié)構(gòu)。

圖2 樣品的掃描電鏡和透射電鏡圖(a)Ag3PO4;(b)Ag3PO4/1%MoS2納米片;(c)MoS2納米片;(d)Ag3PO4/1%MoS2納米片F(xiàn)ig.2 SEM and TEM images of(a)Ag3PO4;(b)Ag3PO4/1%MoS2 nanosheets composite photocatalyst;(c)MoS2 nanosheets;(d)Ag3PO4/1%MoS2 nanosheets composite photocatalyst

2.3 紫外-可見漫反射光譜和熒光發(fā)射光譜分析

圖3是Ag3PO4、Ag3PO4/MoS2納米片復合物的紫外可見漫反射(UV-Vis DRS)譜，純Ag3PO4從紫外到可見區(qū)域出現(xiàn)明顯的吸收，其帶邊吸收為532 nm，這和Ag3PO4較小的禁帶寬是一致的。隨著MoS2納米片的加入，Ag3PO4/MoS2納米片復合物的吸收增強且?guī)н呂瞻l(fā)生明顯的紅移，其中Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物的吸收帶邊為555 nm，這表明MoS2納米片的引入可降低Ag3PO4的禁帶寬度，拓展Ag3PO4的光譜吸收范圍，從而有利于光催化性能的提高。

圖3 Ag3PO4和Ag3PO4/MoS2納米片復合物的紫外-可見漫反射譜圖Fig.3 UV-Vis diffuse reflectance spectra of Ag3PO4 and Ag3PO4/MoS2 nanosheets composite photocatalyst

光生電子-空穴對的分離效率極大地影響催化劑的性能，特別在Ag3PO4體系中，光生電子的快速分離有利于減輕對Ag3PO4的光電流腐蝕。圖4是Ag3PO4、Ag3PO4/MoS2納米片復合物的熒光發(fā)射光譜圖，激發(fā)波長為365 nm。純Ag3PO4在535 nm處出現(xiàn)明顯的熒光發(fā)射峰，表明Ag3PO4中的電子-空穴對有很強的復合率。隨著MoS2納米片的加入，復合物的熒光強度逐漸減小，其中Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物的熒光強度最低，表明該復合物體系中電子-空穴對復合幾率大為降低。

圖4 Ag3PO4和Ag3PO4/MoS2納米片復合物的熒光光譜圖Fig.4 Photoluminescence spectra of Ag3PO4 and Ag3PO4/MoS2 nanosheets composite photocatalyst

2.4 光催化劑的活性和穩(wěn)定性分析

圖5a為Ag3PO4以及Ag3PO4/MoS2納米片復合物在可見光下對亞甲基藍的降解率曲線。純Ag3PO4在30 min內(nèi)對亞甲基藍的降解率為85%，Ag3PO4/0.5%MoS2納米片復合物、Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物、Ag3PO4/2%MoS2納米片復合物的降解率分別為 89%、98%、92%。結(jié)果表明，MoS2納米片與Ag3PO4形成復合結(jié)構(gòu)后，有效提升了Ag3PO4的光催化性能。此外對于低濃度染料，其動力學行為可以根據(jù)下列方程進行研究：

圖5 Ag3PO4和Ag3PO4/MoS2納米片復合物對MB的光催化降解曲線(圖5a)及動力學擬合線(圖5b)Fig.5 Degradation curves and kinetic plot of photocatalytic degradation of MB by Ag3PO4 and Ag3PO4/MoS2 nanosheets composite photocatalyst

其中Ct是染料濃度，C0是光照前吸附平衡的染料濃度，t是反應(yīng)時間，k是速率常數(shù)。根據(jù)上述公式可以計算出Ag3PO4以及Ag3PO4/MoS2納米片復合物的速率常數(shù)，得到的數(shù)據(jù)繪制成圖5b。Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物的速率常數(shù)(0.12 min-1)是純相Ag3PO4(0.060 min-1)的2倍。結(jié)果表明Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物在可見光下的催化活性較Ag3PO4有所提高。這可能是Ag3PO4納米片的引入，提高了可見光的利用率，并且有效抑制了光生電子-空穴的復合。

為了考察Ag3PO4以及Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物的穩(wěn)定性，通過離心回收光催化劑并充分干燥后進行下一次循環(huán)降解，降解條件與之前保持一致，循環(huán)次數(shù)為5次。實驗結(jié)果如圖6所示。Ag3PO4在循環(huán)實驗過程中，光催化性能下降明顯，第5次對于亞甲基藍的降解率僅為35%；Ag3PO4/1%MoS2納米片復合催化劑第5次對于亞甲基藍的降解率為84%。結(jié)果表明復合催化劑具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。

圖6 Ag3PO4和Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物在可見光下對亞甲基藍降解的循環(huán)實驗Fig.6 Recycle experiments of pure Ag3PO4 and Ag3PO4/1%MoS2 nanosheets composite photocatalyst for degradation of MB under visible light irradiation

將經(jīng)過5次循環(huán)實驗得到的Ag3PO4和Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物的樣品進行X射線衍射分析，如圖7所示。Ag3PO4的XRD圖在38.1°出現(xiàn)一個新的衍射峰，對應(yīng)于單質(zhì)銀的(111)面，說明經(jīng)過多次可見光照射后，Ag3PO4受到光生電子的腐蝕，銀離子被還原為單質(zhì)銀。而在Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物的XRD圖中，并沒有發(fā)現(xiàn)單質(zhì)銀的衍射峰，表明Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物在循環(huán)實驗中具有較好的穩(wěn)定性。

圖7 5次循環(huán)實驗后Ag3PO4和Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物的XRD圖Fig.7 XRD patterns of pure Ag3PO4 and Ag3PO4/1%MoS2 nanosheets composite photocatalyst after 5th run cycle photocatalytic experiments

2.5 光催化反應(yīng)機理分析

為了進一步考察Ag3PO4/MoS2納米片復合物的光催化反應(yīng)機理，了解光催化反應(yīng)過程中各種活性物種所起的作用，以Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物為光催化劑，選擇不同的捕獲劑進行光降解實驗。其中，草酸銨(AO)是電子空穴(h+)捕獲劑，苯醌(BQ)是超氧自由基(·O2-)捕獲劑，異丙醇(IPA)是羥基自由基(·OH)捕獲劑，濃度均為 1 mmol·L-1。 各種捕獲劑對亞甲基藍光降解率的影響如圖8所示。

圖8 不同捕獲劑對Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物光降解亞甲基藍的影響Fig.8 Effect of different trapping agents on the photodegradation of methylene blue by Ag3PO4/1%MoS2 nanosheets composite photocatalyst

當加入草酸銨后，亞甲基藍的光催化率明顯降低，光照30 min后對亞甲基藍的光催化降解率為30%。當加入異丙醇后，亞甲基藍的光催化率也出現(xiàn)了降低，光照30 min后對亞甲基藍的降解率為63%。而當加入苯醌后，亞甲基藍的光催化率變化不大。結(jié)果表明，·O2-并不是光催化反應(yīng)的主要活性物種，而h+、·OH才是光催化降解亞甲基藍的主要活性物種。MoS2納米片的導帶為-0.12 eV，價帶為1.78 eV。Ag3PO4的導帶為0.24 eV，價帶為2.69 eV。當MoS2納米片和磷酸銀形成復合物，根據(jù)傳統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)理論，由于MoS2的導帶比Ag3PO4的導帶更負，光激發(fā)后產(chǎn)生的電子將從MoS2導帶遷移到Ag3PO4導帶上。而Ag3PO4的價帶大于MoS2的價帶，光激發(fā)后產(chǎn)生的空穴將從Ag3PO4價帶遷移到MoS2價帶。由于·O2-/O2的電勢(-0.33 eV)比Ag3PO4導帶的電勢更負，因此遷移到Ag3PO4導帶上的電子將無法與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生·O2-，但大量電子在Ag3PO4晶體表面聚集將導致對Ag3PO4的光電流腐蝕。這和Ag3PO4/MoS2納米片復合物的穩(wěn)定性的實驗結(jié)果是不符合的；其次由于MoS2價帶的電勢小于·OH/H2O的電勢(2.27 eV)，因此遷移到MoS2價帶上的空穴將無法將水氧化產(chǎn)生·OH。這和光捕獲實驗中·OH也是其中的一個活性物種的結(jié)果是不相符合的?；贏g3PO4/MoS2納米片復合物的光穩(wěn)定性以及光捕獲實驗結(jié)果，我們提出了一個可能的Z-型光催化機理，見圖9。在這個機理示意圖中，Ag3PO4導帶上的電子和MoS2納米片上的價帶上的空穴直接結(jié)合，這樣Ag3PO4價帶上的空穴和MoS2上導帶上的電子就被有效分離。與此同時，Ag3PO4價帶上的空穴也能夠直接氧化分解有機染料，而其高的價帶電勢+2.69 eV，可以氧化水產(chǎn)生·OH，而·OH也具有極強的氧化能力，可以氧化分解有機染料。Z-型機理的解釋和復合催化劑的光穩(wěn)定實驗結(jié)果和光捕獲實驗結(jié)果是一致的。

圖9 Ag3PO4/1%MoS2納米片復合物光催化機理示意圖Fig.9 Schematic diagram of the photocatalytic degradation and charge transfer mechanism in the Ag3PO4/1%MoS2 nanosheets composite photocatalyst

3結(jié) 論

采用機械球磨法成功制備Ag3PO4/MoS2納米片復合催化劑。在可見光照射下，Ag3PO4/MoS2納米片復合催化劑表現(xiàn)出優(yōu)良的催化活性，而且穩(wěn)定性得到了提高。其主要歸因于MoS2納米片與Ag3PO4形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，Ag3PO4激發(fā)的電子和MoS2納米片產(chǎn)生的空穴直接復合，從而可將光生電子從Ag3PO4晶體表面快速分離，不僅減輕Ag3PO4的光電子腐蝕，同時也提高了復合物的光催化活性。Ag3PO4/MoS2納米片復合催化劑作為一種高活性、高穩(wěn)定性的光催化劑在環(huán)境污染治理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

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Synthesis and Visible Light Photocatalytic Performance of Ag3PO4/MoS2Nanosheets Composite Photocatalyst

The Ag3PO4/MoS2nanosheetscomposite photocatalyst was successfully prepared via a mechanical milling method.The structure of composite photocatalyst was characterized by using X-ray diffraction(XRD),transmission electron microscopy(TEM),scanning electron microscopy(SEM),UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy(DRS)and photoluminescence spectroscopy(PL).The results indicate that Ag3PO4nanoparticles are successfully coupled into the surface of MoS2nanosheets.The photocatalytic activity of composite photocatalyst was evaluated by the degradation of organic methylene blue(MB)under visible light irradiation.The obtained Ag3PO4/1%MoS2nanosheets composite photocatalyst exhibite the optimal photocatalytic performance,which can degrade almost all MB under visible-light irradiation within 30 min.The kinetic constant of MB degradation with Ag3PO4/1%MoS2nanosheets composite photocatalyst is about 2 times as high as that of the pure Ag3PO4.The enhanced photocatalytic activity is mainly attributed to the efficient separation and transport of photo-induced electron-hole pairs in the heterojunction structure.The recycling experiment shows that the photocatalytic activity of Ag3PO4/1%MoS2nanosheets composite photocatalyst is maintained at about 84%after 5 cycles,while the photocatalytic activity of the pure Ag3PO4decreases to 35%.The high photocatalytic stability is due to the successful inhibition of the photo-corrosion of Ag3PO4by transferring the photo-generated electrons of Ag3PO4to MoS2nanosheets.

Ag3PO4;MoS2nanosheets;mechanical milling;visible light photocatalysis

O649.1

A

1001-4861(2017)10-1782-07

10.11862/CJIC.2017.212

YAN Xin＊HUI Xiao-Yan GAOQiang YU Gao-Jie MO Yun-Cheng YE Zi-Meng LI Jun-Chun MA Zi-Yi SUN Guo-Dong
(School of Materials Science and Engineering,Chang′an University,Xi′an 710064,China)

2017-05-16。收修改稿日期：2017-08-08。

陜西省自然科學基金(No.2015JM2070)、國家自然科學基金(No.51402024)和長安大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練資助項目。＊

。 E-mail：xinyan@chd.edu.cn