Ag2O/NaNbO3納米復合材料的制備及其光催化性質(zhì)

李 強，李世平，盧笑笑，馬相東，韓 浩，王 康

(淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

構(gòu)建復合催化劑是一種有效的解決光生載流子分離效率低的問題的手段。復合材料之間形成的內(nèi)建電場能夠驅(qū)動光生載流子向相反的方向運動，從而有效抑制它們的復合[4,5]。此外，異質(zhì)結(jié)能夠增強光吸收，可以更有效地利用太陽能。近年來科研工作者構(gòu)筑了大量的異質(zhì)結(jié)以提升Ag2O的光催化活性，例如ZnO/Ag2O[6]，F(xiàn)ACs/Ag2O[7]，TiO2/Ag2O[8]等。此外，n型半導體NaNbO3由于化學穩(wěn)定性高且具有獨特的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)[9]，在光催化領(lǐng)域中具有較重要的應用前景。NaNbO3被廣泛用來降解有機污染物和光解水制氫[10]。在本文中我們將NaNbO3納米線與Ag2O復合，復合后的樣品會形成p-n異質(zhì)結(jié)，有效促進了光生載流子的分離效率，從而使催化活性顯著提高。

1 實驗內(nèi)容

1.1 NaNbO3納米線的合成

此次實驗中所用到的試劑均為分析純。采用水熱法合成NaNbO3納米線[11]，其制備過程如下：將1 g Nb2O5加入到NaOH溶液(10 mol/L)中磁力攪拌2 h，直至Nb2O5分散均勻得到前驅(qū)體。隨后將該前驅(qū)體轉(zhuǎn)移至100 mL 反應釜中，放入烘箱進行反應，反應溫度設(shè)置為180℃，時間為120 min。反應結(jié)束后待烘箱溫度自然冷卻至室溫后取出樣品并用去離子水和乙醇多次清洗得到白色產(chǎn)物，將產(chǎn)物在80℃下干燥12 h后，放入馬弗爐中600℃ 煅燒12 h，最終獲得NaNbO3納米線。

1.2 Ag2O/NaNbO3復合光催化劑的制備

采用共沉淀法制備Ag2O/NaNbO3復合材料，具體步驟為：取0.05 g NaNbO3納米線置于50 mL去離子水中，超聲30 min至NaNbO3均勻分散形成白色懸濁液，標為A；然后在劇烈攪拌下將0.29 g 硝酸銀(AgNO3)加入到A中，避光攪拌1小時后標為B；將50 mL NaOH(0.2 M)溶液逐滴加入B中，劇烈攪拌1小時后，將黑色產(chǎn)物通過離心收集，并用無水乙醇和去離子水多次清洗，最后在60℃下干燥12小時。由于Ag2O在復合材料里的質(zhì)量百分比為80%，所以把得到的催化劑標記為80%-Ag2O/NaNbO3。

1.3 樣品表征

本文采用高分辨X射線衍射儀(XRD)研究樣品的物相結(jié)構(gòu)，使用銅靶，Kα發(fā)射(λ=1.54184 ?)，利用SU8220型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)對制備的樣品進行形貌分析，用紫外可見分光光度計(UV-Vis)(Lamda950，USA)表征樣品的光學性質(zhì)。

1.4 光催化性能測試

通過在可見光下降解RhB溶液來探究催化劑的光催化活性，可見光光源由配備400 nm 濾光片的500 W氙燈來充當。將0.1 g催化劑加入裝有100 mL(10 mg/L)的RhB溶液的燒杯中，避光攪拌30 min，以達到脫附吸附平衡。取4 mL上述溶液于離心管中，標記“0 min”，然后將燒杯放置于光化學反應器中，并打開光源，每隔10分鐘取樣一次，直到光照50 min。將上述離心管置于高速離心機中離心10分鐘，結(jié)束后取上清液于石英比色皿中，在可見分光光度計中測量不同光照時間下RhB溶液在波長為554 nm下的吸光度并記錄其數(shù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的物相分析

圖1是純Ag2O、NaNbO3和Ag2O/NaNbO3的XRD圖。純Ag2O具有較強的尖銳的衍射峰，說明產(chǎn)物結(jié)晶良好，衍射峰位置與標準PDF卡片(JCPDS card no. 41-1104)對比一致；純相NaNbO3樣品衍射峰尖銳且無其他雜質(zhì)峰，結(jié)晶良好，純度較高，其衍射峰與標準卡(JCPDS card no. 33-1270)衍射峰相吻合。同時，純相Ag2O和純相NaNbO3樣品的衍射峰均在80%-Ag2O/NaNbO3中出現(xiàn)且位置相對應，無其它雜質(zhì)峰出現(xiàn)，說明Ag2O/NaNbO3復合樣品純度較高。

圖1 不同催化劑的XRD圖

2.2 樣品的形貌分析

圖2(a)為NaNbO3的微觀形貌，可以看出微觀下NaNbO3呈現(xiàn)納米棒狀結(jié)構(gòu)，長度約為幾個微米，直徑大約在300 nm；表面光滑。圖2(b)所示為純的Ag2O的微觀形貌，可以看出Ag2O由較大的顆粒組成，尺寸約為100-700 nm。圖2(c)為Ag2O/NaNbO3復合樣品低倍下的微觀形貌，很明顯NaNbO3納米線表面粗糙，表面沉積了大量的Ag2O納米顆粒。圖2(d)為Ag2O/NaNbO3復合樣品高倍下的微觀形貌，可以明顯看到NaNbO3表面的Ag2O顆粒，尺寸約為20-50 nm。

圖2 (a)純NaNbO3的SEM圖像，(b)純Ag2O的SEM圖像，(c)Ag2O/NaNbO3低倍放大SEM圖像，(d)Ag2O/NaNbO3高倍放大SEM圖像

2.3 樣品的光學性質(zhì)分析

圖3(a)為不同樣品的紫外可見吸收光譜圖，圖3(b)為Ag2O和NaNbO3的帶隙圖，光學吸收系數(shù)滿足方程(αhv)n=A(hv-Eg)

圖3 (a)不同催化劑的紫外-可見吸收光譜，(b)NaNbO3和Ag2O的帶隙圖

其中，α、h、ν、Eg和A分別為吸收系數(shù)、普朗克常數(shù)、光頻率、禁帶寬度和比例常數(shù)，當半導體的光躍遷方式為直接躍遷時，n= 2，當為間接躍遷時，n= 1/2[12]。從圖3(a)可以看出Ag2O響應可見光區(qū)，而NaNbO3吸收邊坐落在紫外光區(qū)，說明純的NaNbO3只能響應紫外光區(qū)，然而當Ag2O負載到NaNbO3納米線表面后能將光響應范圍拓展至可見光區(qū)。以(αhv)2為縱坐標，hν為橫坐標，做曲線的切線交于X軸，則X軸交點的橫坐標即為樣品的帶隙值。從圖3(b)可以得出Ag2O和NaNbO3的帶隙分別為1.51 eV 和3.50 eV。

2.4 光催化活性

圖4 (a)不同催化劑的光催化活性比較，(b)降解動力學曲線

圖5 Ag2O/NaNbO3異質(zhì)結(jié)中光生載流子分離示意圖

3 結(jié)論

本文通過共沉淀法成功制備了光催化性能良好的Ag2O/NaNbO3復合光催化劑。XRD表征表明Ag2O/NaNbO3純度較高，SEM結(jié)果說明大量的Ag2O納米顆粒均勻分散在NaNbO3納米線的表面，UV-vis吸收光譜表明在NaNbO3表面沉積Ag2O顆粒后，其吸收邊被拓展到了可見光區(qū)域。光降解RhB測試表明，Ag2O/NaNbO3復合樣品的光催化性能對比純的催化劑有顯著提高。復合樣品光催化活性的增強可能歸因于p-n結(jié)的形成，它能有效提高電子空穴對的分離效率，從而使催化劑活性大大提高。