楊曉玲,常舒婷,熊凌竹,楊艷春,徐文婷,胡 薇,童艷花
(湖州師范學(xué)院 工學(xué)院,浙江 湖州 313000)
工業(yè)化快速發(fā)展導(dǎo)致環(huán)境問題日益嚴(yán)峻,特別是水體與空氣的污染,直接威脅人民生命健康。新型半導(dǎo)體光催化處理技術(shù)因成本低、對(duì)環(huán)境友好,而且能夠深度凈化水中有機(jī)物,在過去幾十年中得到了快速發(fā)展[1]。
氧化鋅(ZnO)是目前應(yīng)用最廣泛的光催化劑之一,具有無毒、無害且導(dǎo)電性良好的特點(diǎn)[2]。更為重要的是,ZnO 具有較大價(jià)帶頂?shù)膭?shì)能值,其光生空穴能夠?qū)⑺肿踊騉H-離子轉(zhuǎn)化成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH)粒子,能夠凈化難降解的有毒有機(jī)物[3]。然而,純相ZnO 不但光生電子與空穴容易復(fù)合而且容易光腐蝕[4-5],導(dǎo)致純相ZnO 光催化劑的活性與穩(wěn)定性均不佳。
兩相復(fù)合建立內(nèi)電場(chǎng)是提高光催化劑的光生電子-空穴對(duì)分離效率最為普遍的手段。到目前為止,有大量文獻(xiàn)報(bào)道了ZnO 基異質(zhì)光催化劑。與ZnO 復(fù)合的有:導(dǎo)體,如Au[6]、Ag[7]、石墨烯[8]等;半導(dǎo)體,如TiO2[9]、CuO[10]、BiOI[11]、AgCl[12-17]等。文獻(xiàn)中報(bào)道的ZnO/AgCl 異質(zhì)結(jié)構(gòu)都是在可見光下的光催化活性,對(duì)于紫外光或太陽光下催化活性很少報(bào)道。這是因?yàn)锳gCl 在紫外光或太陽光照下易分解成單質(zhì)Ag,隨著光照時(shí)間延長(zhǎng)Ag 顆粒逐漸長(zhǎng)大,當(dāng)Ag 顆粒大到一定程度與基底脫落,最終導(dǎo)致光催化活性與穩(wěn)定性變差。因此,如何提高ZnO/AgCl 的太陽光穩(wěn)定性是發(fā)揮其應(yīng)用的關(guān)鍵。
本研究通過對(duì)自制ZnO/AgCl 復(fù)合物與尿素混合研磨后煅燒處理,得到ZnO/AgCl/Ag/g-C3N4四相復(fù)合物,主要成分為ZnO 與AgCl,其次是Ag,g-C3N4的含量較少。并對(duì)該復(fù)合物的光催化性能進(jìn)行測(cè)試。
七水硫酸鋅(ZnSO4·7H2O),氨水(NH3·H2O),氯化銨(NH4Cl),硝酸銀(AgNO3),無水乙醇(CH3CH2OH),尿素[CO(NH2)2],吡啶(C5H5N),去離子水。
1.2.1 ZnO 的制備
稱取1.1258 g ZnSO4溶解于60 mL 超純水中,記為溶液A。量取3 mL NH3·H2O(26%~28%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))與7 mL 超純水,混合均勻形成溶液B。在磁力攪拌下,將溶液B 逐滴加入溶液A 中,直至混合體系pH=9 為止,然后于室溫下沉化2 d后放入水浴鍋,于80 ℃下水浴2 h,冷卻至室溫,得到白色絮狀沉淀,即為ZnO 前驅(qū)體。ZnO 前驅(qū)體用去離子水洗滌3 次并離心,備用。將其置于烘箱于60 ℃下干燥10 h,再通過馬弗爐于800 ℃下煅燒2 h,即可得到純相ZnO。
1.2.2 ZnO/AgCl/Ag/g-C3N4異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的制備
將上述單個(gè)反應(yīng)釜中得到的ZnO 前驅(qū)體分散于90 mL 超純水中,加入0.048 g NH4Cl,磁力攪拌12 h,促進(jìn)Cl-在ZnO 前驅(qū)體表面吸附。根據(jù)Zn:Ag 的摩爾比為10:1,遮光下向上述體系中逐滴加入一定量AgNO3溶液,持續(xù)攪拌30 min 后,于60 ℃水浴加熱2 h;得到的產(chǎn)物經(jīng)超純水與無水乙醇各洗3 次,離心,在電熱鼓風(fēng)干燥箱中于60 ℃下干燥6 h,即可得到ZnO 前驅(qū)體與AgCl 的復(fù)合物。
將復(fù)合物置于馬弗爐中以4 ℃/min 升溫至800 ℃,煅燒2 h,得到ZnO/AgCl 復(fù)合樣品。再將一份ZnO/AgCl 復(fù)合樣品與不同量的尿素混合碾磨后放入馬弗爐中,以4 ℃/min 升溫至500 ℃,煅燒2 h,此條件連續(xù)煅燒兩次,即可得到不同比例的ZnO/AgCl/Ag/g-C3N4異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。按照煅燒前ZnO 與尿素的物質(zhì)的量比為10:1、10:3、10:6,最終得到的樣品分別記為ZAACN-1、ZAACN-3、ZAACN-6。
采用北京普希儀器有限責(zé)任公司的XD-6 型X-射線衍射儀(XRD)表征催化劑的晶體結(jié)構(gòu),掃描范圍為20°~80°,掃描速度為2°/min。
使用JEOL 公司的JEM-F 型透射電子顯微鏡(TEM)觀察樣品的形貌,工作電壓為200 kV,利用其附件能量色散X 射線光譜(EDX)對(duì)樣品中元素映像圖進(jìn)行表征。
X 射線光電子能譜由美國(guó)PE 公司的PHI-5400 型X 射線光電子能譜儀(XPS)分析獲得。
利用Evolution220 固體紫外可見漫反射儀(DRS)對(duì)樣品進(jìn)行光吸收測(cè)試。
以太陽光為光源,選用吡啶為目標(biāo)降解物。分別稱取10 mg ZnO、ZnO/AgCl、ZAACN-1、ZAACN-3 和ZAACN-6 加入到60 mL 20 mg/L 的吡啶溶液中,超聲分散后避光磁力攪拌30 min,達(dá)到吸附平衡,取出5 mL 溶液備測(cè)吸附效果。剩余懸浮液置于太陽光下光照,并在光照時(shí)間到達(dá)20 min、40 min、60 min、80 min、105 min 時(shí)各取5 mL溶液離心,吸取上層清液,采用日本島津UV2600型紫外-可見吸收光譜儀測(cè)試吡啶溶液在光催化劑中不同光照時(shí)間段的吸光度,波長(zhǎng)范圍為200~400 nm。取吡啶的最強(qiáng)吸收峰256 nm 處的吸光度,計(jì)算其降解率R%,R%=(A0-A)/A0×100%。其中,A0為吡啶溶液初始的吸光度,A 為污染物達(dá)到吸附平衡或光照t 時(shí)間段的吸光度。將每次光照后的樣品收集,分別用去離子水與無水乙醇洗滌兩次后離心,在烘箱中于60 ℃下烘干,進(jìn)行下次同條件光催化循環(huán),測(cè)試光催化劑的穩(wěn)定性。
圖1 為ZnO、ZnO/AgCl、ZAACN-3 催化劑的XRD 圖。其中,純ZnO 的所有XRD 衍射峰的位置與六方纖鋅礦的標(biāo)準(zhǔn)卡片圖譜(JCPDS No.36-1451)完全一致。負(fù)載AgCl 后的兩個(gè)復(fù)合樣品的XRD 衍射曲線除了具有明顯的上述ZnO 衍射峰外,還出現(xiàn)了位于27.8°、32.2°、46.2°、55.2°和57.7°的衍射峰,分別對(duì)應(yīng)于AgCl 標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS No.31-1238)的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面特征衍射峰。上述AgCl 衍射峰的強(qiáng)度較為明顯,表明復(fù)合材料中成功引入結(jié)晶度較高的AgCl。當(dāng)ZnO/AgCl 與尿素研磨混合高溫煅燒后出現(xiàn)了2θ=38.11°、44.30°與65.0°的新衍射峰,分別對(duì)應(yīng)Ag 標(biāo)準(zhǔn)譜圖(JCPDS No.99-0094)中的(111)、(200)與(220)晶面衍射峰。此結(jié)果表明樣品中部分AgCl 被還原為單質(zhì)Ag。這可能是由于尿素在分解過程中產(chǎn)生了還原性氣體。需要說明的是,ZnO/AgCl 與尿素研磨混合高溫煅燒樣品(ZAACN-3)并未觀察到g-C3N4衍射峰的存在,可能是其含量太少導(dǎo)致的結(jié)果。對(duì)比3 個(gè)樣品的XRD 圖可以看出,復(fù)合AgCl、Ag 和石墨相g-C3N4并未改變?cè)械腪nO 衍射峰位置,也未出現(xiàn)雜質(zhì)峰,表明復(fù)合后ZnO 的晶體結(jié)構(gòu)保持完整,沒有被復(fù)合過程破壞。
圖1 ZnO、ZnO/AgCl 和ZAACN-3 樣品的XRD 圖Fig.1 XRD patterns of ZnO,ZnO/AgCl and ZAACN-3
為具體觀察ZnO/AgCl 和ZAACN-3 光催化劑的微觀形貌、尺寸信息以及元素分布,對(duì)此兩合成樣品進(jìn)行TEM 和EDX 元素映像表征測(cè)試。圖2(a)與2(b)分別是ZnO/AgCl 和ZAACN-3 樣品的TEM 照片,從圖2(a)中可以看出,ZnO/AgCl是由約100~600 nm 的納米顆粒燒結(jié)在一起的單個(gè)塊體。單個(gè)塊體的表面展現(xiàn)出不同深淺的陰影,中心區(qū)域比邊緣區(qū)域陰影深,這是ZnO 塊體表面覆蓋了AgCl 產(chǎn)生的。圖2(b)也展示了ZAACN-3 樣品是由幾百納米的顆粒燒結(jié)成的塊體,但其深色區(qū)不集中而有些分散,且在顆粒的邊緣出現(xiàn)了尺寸為幾十納米的小顆粒。除此之外,塊體的邊緣還有薄片存在。
圖2 樣品的TEM 照片F(xiàn)ig.2 TEM images of samples
圖3(a)為ZAACN 樣品暗場(chǎng)掃描透射電子像。圖3(b)~3(f)分別對(duì)應(yīng)為Zn、O、Ag、Cl、C、N 元素的映像照片,從中可看出,Zn、O、Cl、C 與N 元素在樣品中分布均勻。其中Zn 與O 元素映射信號(hào)分布密集且強(qiáng)度高,說明樣品主要成分為Zn 與O元素。Ag 元素映像有部分聚集,對(duì)應(yīng)電子像中的小顆粒,說明此小顆粒為Ag 納米顆粒。這是由于在尿素高溫煅燒過程中AgCl 部分還原為Ag 單質(zhì)。為進(jìn)一步表征ZAACN-3 樣品中有AgCl 與C3N4的存在,對(duì)樣品進(jìn)行了XPS 測(cè)試,通過元素的價(jià)態(tài)來確定。
圖3 ZAACN-3 樣品中各元素映射圖Fig.3 Mapping images of elements in ZAACN-3
圖4 為ZnO/AgCl 和ZAACN-3 樣品的XPS全譜以及相關(guān)元素的XPS 特征細(xì)譜。譜圖中的所有峰均以284.6 eV(C 1s 的結(jié)合能)為參考進(jìn)行了荷電校正。圖4(a)中ZAACN-3 樣品的XPS 全譜含有ZnO、AgCl、g-C3N4存在的Zn、O、Ag、Cl、C、N 元素的光電子譜線,與預(yù)期一致。圖4(b)為Zn 2p 的高分辨細(xì)譜,兩個(gè)強(qiáng)峰分別與Zn 2p3/2與Zn 2p1/2相對(duì)應(yīng),兩峰間距為23.0 eV,說明Zn 在2個(gè)樣品中均僅以+2 價(jià)氧化態(tài)的形式存在[18]。然而,ZnO/AgCl 與ZAACN-3 的Zn 2p 峰相對(duì)純ZnO的Zn 2p 峰(2p3/2,1021.3 eV;2p1/2,1044.4 eV)均向高結(jié)合能方向移動(dòng),其中ZnO/AgCl 偏移最多,此現(xiàn)象說明ZnO 與AgCl 之間結(jié)合較強(qiáng)。
圖4(c)顯示的是O 元素的特征細(xì)譜。通過對(duì)不對(duì)稱的O1s 能譜曲線進(jìn)行分峰,可獲得3 個(gè)不同結(jié)合能位置的擬合峰。ZnO/AgCl 樣品的3 個(gè)擬合峰位置分別位于531.9 eV、533.0 eV、533.74 eV處,而ZAACN 中相應(yīng)3 個(gè)擬合峰的位置為530.1 eV、531.6 eV、532.5 eV 處。3 個(gè)擬合峰代表了O 元素的3 種不同結(jié)合狀態(tài),其中低結(jié)合能處的峰屬于ZnO 的晶格氧,而中間結(jié)合能處的峰屬于ZnO 晶格中的缺陷氧,高結(jié)合能處的峰則代表吸附于ZnO 表面的H2O 或O2[6]。對(duì)比二者中間擬合峰的相對(duì)強(qiáng)度,可知ZAACN-3 中缺陷氧的峰相對(duì)強(qiáng)度顯著高于ZnO/AgCl,則說明ZAACN 中的氧缺陷濃度高于ZnO/AgCl。此外,從整條O 1s 譜線對(duì)比,ZAACN-3 的O 1s 峰相對(duì)ZnO/AgCl 的峰向低結(jié)合能方向偏移了1.5 eV,這可能是由于氧空位的增多引起O 與其他元素鍵合不平衡從而導(dǎo)致O1s 電子束縛能的降低。
圖4(d)展示的是Ag 3d 特征細(xì)譜。對(duì)于ZnO/AgCl,位于367.8 eV、373.7 eV 峰可指標(biāo)化為Ag 3d3/2與Ag 3d1/2,對(duì)應(yīng)于+1 價(jià)的Ag。因ZAACN-3樣品的Ag 3d 能譜峰顯示不對(duì)稱,所以進(jìn)行了擬合,得到4 個(gè)峰。處于低結(jié)合能367.2 eV、373.1 eV的峰可歸屬于金屬Ag(0)[19],而在高結(jié)合能367.6 eV、373.5 eV 的峰則屬于AgCl 的Ag(+1)[20],因此可說明ZAACN-3 復(fù)合物中除了AgCl 外,還有單質(zhì)Ag 存在,與元素映像圖相對(duì)應(yīng)。在圖4(e)中ZAACN-3 出現(xiàn)了結(jié)合能為197.65 eV、199.1 eV的2 個(gè)擬合峰,分別對(duì)應(yīng)Cl 2p3/2和Cl 2p1/2[21],可歸屬于-1 價(jià)的Cl,結(jié)合+1 價(jià)的Ag 離子,可推斷樣品中存在AgCl。
圖4(f)中結(jié)合能在284.6 eV 與288.6 eV 對(duì)應(yīng)外來污染碳的峰位,而ZAACN-3 樣品在286.0 eV 的峰可以對(duì)應(yīng)C-NH2中的碳鍵[22]。同時(shí)圖4(g)也證實(shí)N 元素的存在,對(duì)其分峰擬合得到398.5 eV、399.5 eV、400.8 eV 分別對(duì)應(yīng)N—C=N、N-(C)3以及N-C-H[23],再結(jié)合元素映像圖可以證明g-C3N4成功復(fù)合在ZnO/AgCl/Ag 上。
圖4 ZnO/AgCl 和ZAACN-3 的全譜以及各自Zn、O、Ag、Cl、N 元素的XPS 精細(xì)譜Fig.4 The whole XPS spectra of ZnO/AgCl and ZAACN-3 and fine XPS spectra of Zn,O,Ag,Cl,C and N elements in them
圖5 為ZnO、ZnO/AgCl、ZAACN-3 的紫外-可見DRS 光譜圖。可以看出純ZnO 樣品的吸收邊處于406 nm,說明純ZnO 只對(duì)紫外波段的光區(qū)發(fā)生響應(yīng)。當(dāng)ZnO 與AgCl 復(fù)合后,吸收邊約為409 nm。與純ZnO 相比,發(fā)生移動(dòng)較小。不同的是,在420~650 nm 的可見光區(qū)有一定的吸收,這可能是在測(cè)試過程中,少量AgCl 在光照下分解成Ag 單質(zhì)造成的可見光區(qū)的少量吸收。對(duì)于ZAACN 的DRS 曲線,不但吸收邊(428 nm)發(fā)生了紅移,并且在紫外光區(qū)的反射率小于ZnO/AgCl和ZnO。除此之外,在450 nm 附近的有較強(qiáng)的吸收峰出現(xiàn),這是由于納米Ag 表面等離子效應(yīng)引起[24],進(jìn)一步核實(shí)了Ag 單質(zhì)的存在。此結(jié)果表明:g-C3N4與Ag 共同修飾的ZnO/AgCl 不僅拓寬了可見光吸收的波段,而且還增強(qiáng)了紫外光的吸收,有利于ZAACN 光催化劑對(duì)太陽光的利用。
圖5 ZnO、ZnO/AgCl 和ZAACN-3 樣品紫外-可見漫反射光譜圖Fig.5 UV-Vis DRS spectra of ZnO,ZnO/AgCl and ZAACN-3
圖6 是不同樣品在同等條件下自然日光光催化降解率隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中30 min的吸附點(diǎn),可計(jì)算出ZnO、ZnO/AgCl、ZAACN-1、ZAACN-3 和ZAACN-6 的吸附率分別為6.97%、7.37%、12.79%、10.57%和11.81%。由此可看出,各樣品對(duì)吡啶僅存在少量吸附,ZAACN 樣品的吸附效果略優(yōu)于ZnO/AgCl 和ZnO。這可能是由于ZAACN 表面被超薄的C3N4納米片包覆,致使表面積有所增大。在太陽光照下,每種樣品所在吡啶溶液的瞬時(shí)相對(duì)含量都隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,表明各樣品對(duì)光催化降解吡啶都有一定的活性。當(dāng)光照時(shí)間達(dá)到105 min 時(shí),ZAACN-1、ZAACN-3、ZAACN-6 所在吡啶的降解率分別為93.37%、97.51%和88.23%,ZnO/AgCl 對(duì)應(yīng)的降解率為73.38%,而純ZnO 對(duì)應(yīng)的降解率僅為56.78%。此結(jié)果說明,g-C3N4與Ag 能夠協(xié)同提高ZnO/AgCl 的光催化活性,其中ZAACN-3 提高的幅度最大。然而進(jìn)一步提高g-C3N4的比例,光催化活性提高的幅度開始下降。這可能是由于當(dāng)尿素的量超過某個(gè)值時(shí),部分g-C3N4會(huì)獨(dú)立形成,不全是g-C3N4與ZnO/AgCl 的復(fù)合物,而純g-C3N4的光降解吡啶效果很弱,導(dǎo)致整體光催化效率有所降低。
圖6 ZnO、ZnO/AgCl、ZAACN-1、ZAACN-3 和ZAACN-6 樣品光催化降解吡啶隨光照時(shí)間的曲線圖Fig.6 Time-dependent photocatalytic degradation of pyridine over ZnO,ZnO/AgCl,ZAACN-1,ZAACN-2 and ZAACN-3
圖7 是各樣品日光光催化后再循環(huán)3 次光催化的降解動(dòng)力學(xué)曲線圖。ZnO/AgCl 的首次光催化效率比純ZnO 約高1.3 倍,但在回收第1 次,提高的幅度開始降低,到第2、3 次回收,其光催化效率都比ZnO 低。這應(yīng)歸屬于AgCl 在光照下易分解成Ag,當(dāng)Ag 顆粒長(zhǎng)大后,又易與ZnO 基底脫落,導(dǎo)致光催化性能惡化。與之相對(duì)比,經(jīng)過g-C3N4與Ag 共修飾的ZnO/AgCl(即ZAACN-1、ZAACN-3、ZAACN-6)在3 次回收后的光催化效率分別為90.00%、88.59%、83.74%,相比首次光照下降不到10%,說明g-C3N4與Ag 協(xié)同修飾ZnO/AgCl 能夠提高其光催化活性及穩(wěn)定性。
圖7 ZnO、ZnO/AgCl、ZAACN-1、ZAACN-3 和ZAACN-6 循環(huán)光催化降解PY 的對(duì)比圖Fig.7 Recycles of photocatalytic degradation of pyridine over ZnO,ZnO/AgCl,ZAACN-1,ZAACN-2 and ZAACN-3
根據(jù)文獻(xiàn)[17,25]報(bào)道的ZnO、AgCl、g-C3N4以及Ag 的能帶位置與本研究所制備的g-C3N4包覆ZnO/AgCl/Ag 異質(zhì)結(jié)構(gòu),其在太陽光照下產(chǎn)生的光生電子與空穴的傳輸途徑如圖8 所示。ZAACN在太陽光照下,因g-C3N4含量極少,主要產(chǎn)生光生電子與空穴的是ZnO 與AgCl。由圖8 中各物質(zhì)的價(jià)帶頂與導(dǎo)帶底能級(jí)高低可知,ZnO 與AgCl的光生電子都流向Ag 顆粒;AgCl 的光生空穴流向ZnO 區(qū),ZnO 區(qū)的空穴部分流向g-C3N4。因此,g-C3N4與Ag 的協(xié)同作用更加促進(jìn)了ZnO/AgCl異質(zhì)結(jié)的光生電子與空穴分離。特別是Ag 顆粒的存在促進(jìn)了AgCl 區(qū)的光生電子及ZnO 區(qū)傳送來的電子的驅(qū)散,有效抑制光生電子與晶格中Ag+結(jié)合生成Ag,從而提高了AgCl 的穩(wěn)定性。此外,由于ZnO/AgCl/Ag 受到g-C3N4的包裹,不僅可以保護(hù)Ag 納米粒子在光催化中不受空氣中氧氣氧化,而且可以抑制納米Ag 粒子從復(fù)合材料表面脫落,使得復(fù)合光催化劑在后續(xù)使用中依舊維持高降解率,能夠進(jìn)行多次循環(huán)利用。綜上所述,正是因?yàn)間-C3N4與Ag 納米顆粒協(xié)同作用,不僅使光生電子與空穴的復(fù)合及AgCl 的光腐蝕得到了有效抑制,而且還能防止Ag 納米顆粒的氧化,最終導(dǎo)致ZAACN 的光催化活性與穩(wěn)定性都得到提高。
圖8 ZnO/AgCl/Ag/g-C3N4 復(fù)合結(jié)構(gòu)的光催化機(jī)理示意圖Fig.8 Schematic of photocatalytic degradation over ZnO/AgCl/Ag/g-C3N4 composite
通過沉淀法先制備ZnO 前驅(qū)體,負(fù)載AgCl后再與尿素研磨混合高溫煅燒得到ZnO/AgCl/Ag/g-C3N4復(fù)合光催化劑。與ZnO/AgCl 及ZnO 相比,ZnO/AgCl/Ag/g-C3N4復(fù)合光催化劑擁有更寬的可見光響應(yīng)范圍及更強(qiáng)的紫外光與可見光的吸收強(qiáng)度,表現(xiàn)出更高的光催化降解吡啶活性與穩(wěn)定性。ZnO/AgCl/Ag/g-C3N4復(fù)合光催化劑的光催化活性與穩(wěn)定性的提高是由于負(fù)載的Ag 與g-C3N4的包覆,不僅促進(jìn)了光生空穴的轉(zhuǎn)移而且有效控制了納米Ag 粒子的氧化與脫落,使ZnO/AgCl/Ag/g-C3N4表現(xiàn)出良好的光催化穩(wěn)定性,經(jīng)過3 次回收,降解率仍能達(dá)到90%。