田玲 吳漢福 蔣玲(六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院,貴州 鐘山 553004)
(BiO)2CO3具有層狀結(jié)構(gòu)的氧化物,禁帶寬度約為2.87~3.58eV,不能有效地利用太陽光[1-4]。AgCl禁帶寬度約為3.25eV,具有較強的可見光響應(yīng)和光催化活性,但AgCl的光生電子空穴對復(fù)合率較高,導(dǎo)致光生載流子的利用率不高,并且具有極強的光腐蝕性,導(dǎo)致穩(wěn)定性較差[5,6]。本文通過兩步沉淀法制備出具有一定光催化活性的AgCl/(BiO)2CO3復(fù)合材料,預(yù)期能在有機污染降解方面具有一定的應(yīng)用前景。
稱取1.4700g五水硝酸鉍和21.6000g尿素溶于45mL去離子水得到溶液A;稱取1.2719g無水碳酸鈉溶于45mL去離子水得到溶液B。將B緩慢地滴加到A中,常溫攪拌20h,離心,洗滌,60℃干燥,磨細(xì),得純(BiO)2CO3催化劑材料a。
稱取0.7108g硝酸銀溶于100mL去離子水得到溶液A;稱取0.2443g氯化鈉溶于200mL去離子水得到溶液B。將A緩慢滴入B中,滴完后避光攪拌30min,離心,洗滌,磨細(xì)得純AgCl催化劑b。
稱取a樣品0.2000g,加入20mL去離子水,超聲30min,再加入一定質(zhì)量的氯化鈉,攪拌30min,得到懸濁液A。稱取一定量的硝酸銀溶于10mL去離子水得溶液B。將A緩慢滴入B中,避光攪拌30min,離心,洗滌,60℃干燥,磨細(xì)得AgCl/(BiO)2CO3。按照AgCl與(BiO)2CO3的質(zhì)量比制備的復(fù)合材料分別記為c-10%,d-15%,e-20%,f-25%,g-30%。
亞甲基藍(lán)(MB)作為模擬污染物,使用500W氙燈作為光源,取MB(10mg/L)100mL、0.1g催化劑置于光反應(yīng)瓶,在黑暗中攪拌30min后,取5mL懸浮液測定其吸光度,然后開啟氙燈,每隔20min取5mL懸浮液,于7000r/min離心機中離心10min,取上清液用分光光度計測定吸光度分析剩余污染物的濃度。
圖1為所合成催化劑樣品的XRD譜圖。由圖可知,在a樣品的2θ為28.55°、32.75°、46.83°、57.99°的主衍射峰與AgCl的晶面指數(shù)(111)、(200)、(220)、(222)一致;b樣品的2θ為13.16°、24.19°、30.43°、33.04°、42.43°、47.25°、52.62°、56.98°、63.36°處主衍射峰與四方晶相的(BiO)2CO3標(biāo)準(zhǔn)卡片對比均一致,并與 晶 面 指 數(shù)(002)、(011)、(013)、(110)、(114)、(020)、(121)、(123)及(206)相對應(yīng)。純AgCl、純(BiO)2CO3的主要衍射峰較尖銳而未出現(xiàn)其他雜峰,結(jié)晶良好。在復(fù)合樣品c~g的衍射圖譜中均呈現(xiàn)有AgCl和(BiO)2CO3的衍射特征峰,AgCl的加入并未改變AgCl/(BiO)2CO3中(BiO)2CO3衍射峰的位置,復(fù)合后AgCl也仍保持著良好的結(jié)晶度,說明已成功制備出AgCl/(BiO)2CO3的復(fù)合物。
圖1 樣品的XRD圖
圖2為純AgCl、純(BiO)2CO3和25% AgCl/(BiO)2CO3的SEM圖,從圖看出,純AgCl表面較光滑,呈顆粒狀,形態(tài)較規(guī)整,但尺寸大小不均一;純(BiO)2CO3為不規(guī)則的球形顆粒,顆粒較大,同樣尺寸不均一。而兩者復(fù)合后,樣品形貌發(fā)生了變化,呈松散棉花狀。
圖2 樣品的SEM圖
圖3 可見光下降解MB藍(lán)的降解曲線
圖3為AgCl、(BiO)2CO3和復(fù)合材料在可見光下降解MB的性能,即 MB的濃度(C/C0)隨光照射時間t的變化,其中C0和C分別是初始濃度和反應(yīng)時間 t 的濃度。由圖可知,純AgCl、純(BiO)2CO3和復(fù)合材料均對MB有一定的吸附作用,相對來說,純(BiO)2CO3和復(fù)合材料對MB的吸附要強。純AgCl和純(BiO)2CO3對MB幾乎不發(fā)生降解,而復(fù)合材料的光催化降解率均高于純AgCl和純(BiO)2CO3,并且隨著AgCl含量的增加,降解率基本呈先增大后減小的趨勢,當(dāng)AgCl 和(BiO)2CO3質(zhì)量比為1:4時,光催化活性最高,180min 時光催化降解率達(dá)到 89%。可能的原因是AgCl含量增加,AgCl與(BiO)2CO3復(fù)合使其有效接觸面積增大,吸光增強且產(chǎn)生光生電子-空穴對更多,實現(xiàn)了有效電荷分離,進而光催化效率提高。當(dāng)AgCl 比例過高時,過量的AgCl 在復(fù)合物中可能形成新復(fù)合中心,使得電子-空穴對又重新復(fù)合,使其光催化效率降低。
用一級動力學(xué)方程ln(C/C0)=-kt (k為速率反應(yīng)常數(shù),min-1;t為反應(yīng)時間,min)擬合光催化降解。圖4為制備的光催化劑樣品對MB的降解一級反應(yīng)動力學(xué)方程圖,相關(guān)系數(shù)分別為Ra=0.8428、Rb=0.5960、Rc=0.9786、 Rd=0.9752、 Re=0.9794、Rf=0.9945、Rg=0.9824,復(fù)合材料的降解具有良好的線性關(guān)系。速率反應(yīng)常數(shù) (min-1)分別 ka=6.30×10-4、kb=5.79×10-4、kc=6.42×10-3、kd=6.02×10-3、ke=5.71×10-3、kf=9.45×10-3、kg=8.27×10-3,f-25%速率反應(yīng)常數(shù)分別a、b的15倍和16倍。
圖4 樣品對MB溶液的降解一級反應(yīng)動力學(xué)方程
采用兩步沉淀法成功制備了AgCl/(BiO)2CO3復(fù)合光催化劑,在可見光照射下,復(fù)合催化劑對MB的降解均比單一AgCl和 (BiO)2CO3的活性更高。當(dāng)AgCl與(BiO)2CO3質(zhì)量比為1:4,催化活性最高,180min內(nèi)對MB的降解可達(dá)89%,復(fù)合催化劑降解MB的速率常數(shù)分別AgCl、(BiO)2CO3的15倍和16倍。說明AgCl與(BiO)2CO3復(fù)合后能分離光生電子和空穴,活性位點降低,提高光催化活性。