季 邦, 趙文鋒, 段潔利, 付蘭慧, 馬立哲, 楊 洲*
1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 廣東 廣州 510000 2. School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798, Singapore 3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院, 廣東 廣州 510000 4. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心, 廣東 廣州 510000
植物催熟激素乙烯是果蔬儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中腐爛變質(zhì)的主要因素之一。 乙烯能加速果蔬呼吸作用, 促進(jìn)果蔬軟化, 葉綠素流失, 縮短貨架期, 從而造成巨大損失。 尋求一種低能耗、 效率高、 環(huán)保的乙烯脫除技術(shù)成為研究人員探索的熱點(diǎn)課題[1]。 目前, 脫除果蔬儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的乙烯主要有物理法[2], 化學(xué)法[3]、 生物法[4]和光催化氧化法[5]。 物理法主要采用活性炭等材料對(duì)乙烯進(jìn)行吸附, 一般這些材料的吸附量有限, 很容易飽和, 并且吸附后的乙烯在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中很容易脫附。 化學(xué)法主要采用化學(xué)保鮮劑進(jìn)行乙烯脫除, 保鮮效果雖然顯著, 但是會(huì)給環(huán)境帶來(lái)污染以及給人體帶來(lái)潛在的健康危害等缺陷, 造成二次污染。 生物法主要抑制乙烯的釋放, 該方法由于成本低、 污染小等優(yōu)點(diǎn), 受到眾多學(xué)者的關(guān)注, 但是其效率相對(duì)較低。 光催化氧化技術(shù)是20世紀(jì)以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種綠色、 節(jié)能、 環(huán)保的污染物降解新技術(shù), 已廣泛應(yīng)用于大氣防治、 污水處理和能源等領(lǐng)域, 可以將污染物氧化降解為CO2和H2O, 不會(huì)造成二次污染。 目前研究人員將TiO2/ACF[6]、 TiO2納米薄膜[7]、 TiO2/SiO2[8]、 g-C3N4/Ag3PO4[9]、 BiVO4/P25[10]等催化劑用于光催化降解果蔬儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中釋放的乙烯, 光催化性能良好。
2010年有研究發(fā)現(xiàn)在可見(jiàn)光照射下具有高催化降解性能的Ag3PO4半導(dǎo)體催化材料, 在可見(jiàn)光內(nèi)具有良好的光催化性能, 并且其禁帶寬度小, 是一種良好的可見(jiàn)光響應(yīng)光催化材料[11]。 由于Ag3PO4在可見(jiàn)光的照射下容易發(fā)生光腐蝕, 非常不穩(wěn)定, 限制了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。 光腐蝕主要因Ag3PO4的光生電子很容易被Ag+捕獲, 從而將Ag+還原成單質(zhì)Ag, 隨著光催化反應(yīng)的進(jìn)行, Ag3PO4不斷地被光腐蝕分解, 這種現(xiàn)象不僅破壞了Ag3PO4的結(jié)構(gòu), 而且降低了Ag3PO4的光吸收性能, 影響光催化效率。
為了解決這個(gè)問(wèn)題, 研究人員將Ag3PO4與碳納米管[12]、 活性碳[13]、 鹵化銀[14]、 氧化石墨烯(GO)[15]等載體材料復(fù)合, 研究證明了這些復(fù)合材料可以抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合, 防止Ag3PO4的光腐蝕, 提高了催化活性和光催化穩(wěn)定性。 其中GO(氧化石墨烯)具有大的比表面積和豐富的活性官能基團(tuán), 可以抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合, 提升可見(jiàn)光催化性能。 雖然目前有文獻(xiàn)報(bào)道了Ag3PO4與GO復(fù)合后可以提升光催化性能, 但是主要是集中在粉末態(tài)的研究上, 由于粉末態(tài)的催化劑存在回收難、 催化劑損失大等缺陷, 給催化劑的推廣應(yīng)用帶來(lái)了一定的困難[16]。 將光催化劑固定制備薄膜型催化劑可以解決粉末催化劑回收難、 穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)。 制備薄膜型光催化劑, 載體的選擇很重要, 載體的選擇直接影響光催化劑的催化性能。 3D金屬泡沫鎳網(wǎng)具有孔隙率高、 機(jī)械性能好和氣固相通透性能良好等優(yōu)點(diǎn), 作為催化劑的載體具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 研究人員采用金屬泡沫鎳網(wǎng)負(fù)載BiFeO3[17], g-C3N4/rGO[18], TiO2/GR[19]和ZnO/TiO2/WO3[20]等催化劑, 對(duì)降解有機(jī)污染物性能良好。 目前采用金屬泡沫鎳網(wǎng)負(fù)載制備Ag3PO4/GO薄膜型光催化劑, 并用于可見(jiàn)光催化降解果蔬儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中釋放的乙烯還未見(jiàn)報(bào)道。
充分利用泡沫鎳網(wǎng)的特點(diǎn), 以金屬泡沫鎳網(wǎng)為載體, 采用浸漬提拉法制備了一系列金屬泡沫鎳網(wǎng)負(fù)載Ag3PO4/GO薄膜復(fù)合催化劑, 并進(jìn)行了表征分析。 以果蔬儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中釋放的乙烯為降解目標(biāo), 考察了可見(jiàn)光下不同GO質(zhì)量百分比Ag3PO4/GO薄膜對(duì)光催化降解乙烯的影響, 對(duì)光催化降解過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析, 研究了催化劑的光催化穩(wěn)定性, 探討了Ag3PO4/GO薄膜光催化降解乙烯機(jī)理。
薄膜催化劑采用浸漬提拉法制備, 具體過(guò)程以石墨粉為原料, 采用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨烯(GO)[21]。 將一定量的GO加入到150 mL濃度為0.9 mol·L-1的硝酸銀(AgNO3)溶液中, 超聲分散30 min, 記為a溶液。 配制150 mL濃度為0.3 mol·L-1的磷酸氫二鈉(Na2HPO4)溶液, 記為b溶液。 將b溶液置于磁力攪拌器, 在1 500 r·min-1的轉(zhuǎn)速下, 將a溶液緩慢滴加至b溶液中, 磁力攪拌30 min, 充分反應(yīng)形成黃色的Ag3PO4/GO材料, 然后加入8 g無(wú)機(jī)粘結(jié)劑硅酸鈉(Na2SiO3), 繼續(xù)磁力攪拌30 min備用。 實(shí)驗(yàn)中所有試劑均于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購(gòu)買(mǎi), 所有試劑均為分析純、 均未進(jìn)行任何處理, 實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。
將厚度3 mm的泡沫鎳網(wǎng)裁剪成尺寸為直徑60 mm的圓形(孔隙率95%), 負(fù)載催化劑前, 對(duì)泡沫鎳網(wǎng)進(jìn)行腐蝕氧化處理, 具體步驟為: 將裁剪好的泡沫鎳網(wǎng)放入濃硝酸腐蝕處理1 min, 去除泡沫鎳網(wǎng)殘留的各種雜質(zhì), 將泡沫鎳網(wǎng)表面腐蝕成多孔結(jié)構(gòu), 以便于催化劑的附著。 然后依次采用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗, 去除表面殘留的硝酸, 放入真空干燥箱干燥30 min, 最后將干燥后的泡沫鎳網(wǎng)放入馬弗爐中500 ℃氧化處理5 min, 冷卻備用。 浸漬提拉法的步驟為: 將腐蝕氧化處理冷卻后的泡沫鎳網(wǎng)浸入上述制備好的溶液中, 浸泡5 min, 以一定的速度提拉泡沫鎳網(wǎng), 放入80 ℃的干燥箱干燥30 min, 重復(fù)上述步驟, 循環(huán)6次后將泡沫鎳網(wǎng)放入真空干燥箱80 ℃干燥8 h即可得到金屬泡沫鎳網(wǎng)負(fù)載Ag3PO4/GO薄膜。 為了對(duì)比催化劑的光催化性能, 同時(shí)在a溶液中不加入GO, 制備了金屬泡沫鎳網(wǎng)負(fù)載Ag3PO4薄膜, 記為AP/NF。 根據(jù)加入的GO質(zhì)量不同, 將加入GO占Ag3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%, 1%, 2%和4%的薄膜分別記為AG/NF-0.5, AG/NF-1, AG/NF-2, AG/NF-4。
氙燈的光譜采用光柵光譜儀進(jìn)行分析(WGD-8/8A, 天津港東科技有限公司, China); 催化劑的晶相結(jié)構(gòu)采用X射線(xiàn)衍射儀分析(XRD, D/Max-2500 Rigaku, Japan); 表面形貌采用掃描電鏡進(jìn)行分析(SEM, TDCLS-4800, Japan); 化學(xué)成分、 價(jià)態(tài)采用X射線(xiàn)光電子能譜分析儀進(jìn)行分析(XPS, Thermo SCIENTIFIC ESCALAB 250 Xi); 光學(xué)性能采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行分析(UV-Vis, Shimadzu/UV-2600, Japan); 分子結(jié)構(gòu)采用拉曼光譜進(jìn)行分析(Raman, Voyage BWS435-785SY, America); 空穴-電子對(duì)復(fù)合情況采用光致發(fā)光光譜進(jìn)行分析(PL, Hitachi/F-7000, Japan)。
光催化降解乙烯性能測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。 該平臺(tái)采用微型隔膜泵對(duì)光催化反應(yīng)器內(nèi)的乙烯氣體進(jìn)行循環(huán)流動(dòng), 保證反應(yīng)器內(nèi)乙烯氣體濃度均勻。 光催化過(guò)程中通過(guò)引入循環(huán)水保持光催化反應(yīng)器的溫度控制在20 ℃左右。 乙烯濃度的檢測(cè)采用瑞士MEMBRAPOR的乙烯濃度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將乙烯濃度傳感器和溫濕度傳感器置于傳感器密封罐中, 通過(guò)微型隔膜泵與光催化反應(yīng)器連接。
圖1 光催化降解乙烯性能測(cè)試平臺(tái)
實(shí)驗(yàn)步驟: 首先將直徑60 mm的泡沫鎳網(wǎng)置于光催化反應(yīng)器中, 用馬蹄夾將光催化反應(yīng)器石英玻璃窗密封, 將純凈空氣從反應(yīng)器底部采樣口通入, 以置換反應(yīng)器內(nèi)的空氣, 1 min后采用聚四氟乙烯密封塞封住采樣口和出氣口。 采用氣相進(jìn)樣針向反應(yīng)器內(nèi)注入200 μL高純度乙烯, 光催化反應(yīng)器的體積為500 mL。 將光催化反應(yīng)器采用錫紙包裹, 打開(kāi)微型隔膜泵, 在黑暗的環(huán)境下4 h后催化劑與乙烯氣體分子達(dá)到吸附平衡。 最后打開(kāi)循環(huán)水和250 W氙燈, 實(shí)驗(yàn)中光照強(qiáng)度為100 mW·cm-2, 每隔40 min讀取乙烯濃度, 每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期360 min, 實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次, 取平均值。
光催化劑的穩(wěn)定性通過(guò)循環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。 在每個(gè)循環(huán)實(shí)驗(yàn)后, 用去離子水清洗薄膜, 然后在真空環(huán)境中干燥, 干燥后的薄膜則可以用于下一次的循環(huán)實(shí)驗(yàn)。 一共循環(huán)四次, 實(shí)驗(yàn)方法和前面相同。
圖2為氙燈光譜通過(guò)400 nm截止濾波片前后的發(fā)射光譜圖, 從圖中可以看出氙燈通過(guò)截止濾波片后的主要發(fā)射波長(zhǎng)范圍400~500 nm, 主波長(zhǎng)為460 nm。 氙燈光譜通過(guò)400 nm截止濾波片后, 在400 nm以上的發(fā)射光譜沒(méi)有發(fā)生變化, 400 nm以下的發(fā)射光譜已經(jīng)成功過(guò)濾。 通過(guò)對(duì)比主波長(zhǎng)460 nm處的輻射能發(fā)現(xiàn), 通過(guò)截止濾波片后的可見(jiàn)光輻射能量降低了2.8%, 說(shuō)明截止濾波片對(duì)可見(jiàn)光的輻射能有一定的影響, 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了減少這部分能量的損失, 盡量保持截止濾波片的清潔。
圖2 氙燈發(fā)射光譜
為了表征所制備材料的晶相結(jié)構(gòu), 對(duì)制備的材料進(jìn)行了XRD分析, 結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看出, 五種薄膜催化劑的主要衍射峰與Ag3PO4的標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS-06-0505)一致, 樣品在衍射角20.88°, 29.69°, 33.29°, 36.58°, 42.48°, 55.02°, 57.28°和71.89°處出現(xiàn)了Ag3PO4特征的衍射峰, 沒(méi)有出現(xiàn)其他雜峰, 分別對(duì)應(yīng)于Ag3PO4的(1 1 0), (2 0 0), (2 1 0), (2 1 1), (2 2 0), (3 2 0), (3 2 1)和(4 2 1)和晶面, 并且衍射峰尖銳, 說(shuō)明所制備的Ag3PO4薄膜純度較高, 結(jié)晶性能良好。 從圖中可以看出GO的加入并沒(méi)有改變Ag3PO4的晶體結(jié)構(gòu), 隨著GO量的增加, 在(2 1 0)晶面的衍射峰強(qiáng)度減弱[22-23]。
圖3 樣品的XRD譜圖
為了表征所制備材料的形貌結(jié)構(gòu), 對(duì)所制備的材料進(jìn)行SEM分析。 圖4(a)放大200倍的未處理泡沫鎳網(wǎng)掃描電鏡照片, 從圖中可以看出泡沫鎳網(wǎng)的三維金屬骨架結(jié)構(gòu), 這種三維結(jié)構(gòu)具有良好的孔隙率、 通透性能, 這種三維結(jié)構(gòu)可以使得光催化“反應(yīng)腔”飽滿(mǎn), 有利于光催化性能的提升。 圖4(b)放大50 000倍的未處理泡沫鎳網(wǎng)掃描電鏡照片, 可以看出未經(jīng)處理的泡沫鎳網(wǎng)表面光滑, 不利于催化劑的附著。 圖4(c)放大50 000倍腐蝕氧化處理后的泡沫鎳網(wǎng)掃描電鏡照片, 從圖中可以看出經(jīng)過(guò)腐蝕、 氧化處理后, 泡沫鎳網(wǎng)表面的有機(jī)物雜質(zhì)被去除, 表面被腐蝕, 清晰地呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu), 有利于催化劑的附著, 為光催化提供更多的附著位點(diǎn)。 圖4(d)放大500倍的樣品AG/NF-2掃描電鏡照片, 從圖中可以看出泡沫鎳網(wǎng)的表面均勻地負(fù)載了Ag3PO4/GO催化劑, 分散性良好。
圖4 不同放大倍數(shù)下的SEM圖
為了表征所制備材料的分子結(jié)構(gòu), 對(duì)GO、 AG/NF-1樣品進(jìn)行Raman分析, 結(jié)果如圖5所示。 從GO的光譜圖中可以看出在1 349.39和1 606.45 cm-1處出現(xiàn)了明顯的特征峰, 分別對(duì)應(yīng)于GO的D峰和G峰, D峰與G峰的強(qiáng)度比(ID/IG)值為0.97。 D峰代表的是碳原子的晶格缺陷, G峰代表的是碳原子sp2雜化的面內(nèi)伸縮振動(dòng),ID/IG一般被用來(lái)評(píng)價(jià)氧化石墨烯的缺陷程度。 在AG/NF-1樣品的光譜圖中可以看出在542.37, 627.58, 908.02, 999.68, 1 354.37和1 608.44 cm-1出現(xiàn)了明顯的特征峰, 其中在542.37, 627.58, 908.02和999.68 cm-1是Ag3PO4的特征峰, 1 354.37和1 608.44 cm-1處是GO的特征峰[24-25], 復(fù)合氧化石墨烯后,ID/IG值提升為0.99, 說(shuō)明復(fù)合后缺陷程度增加, 與文獻(xiàn)報(bào)道一致。 該結(jié)果進(jìn)一步證明了Ag3PO4與氧化石墨烯成功復(fù)合。
圖5 GO與AG/NF-1的拉曼光譜
為了表征所制備材料的光學(xué)性能, 對(duì)所制備的材料進(jìn)行UV-Vis分析, 結(jié)果如圖6所示。 從圖6可以看到AP/NF樣品的吸收峰主要集中在紫外光區(qū), 在可見(jiàn)光區(qū)也有一定程度的吸收。 但是加入GO之后, 樣品在可見(jiàn)光區(qū)的吸光度明顯增強(qiáng), 隨著GO量的增加, 樣品在可見(jiàn)區(qū)的吸光度增強(qiáng), 有利于提升光催化性能, 與文獻(xiàn)[26]報(bào)道一致。
圖6 所有樣品紫外-可見(jiàn)光譜
為了表征所制備材料的光生電子-空穴對(duì)復(fù)合情況, 對(duì)樣品AP/NF, AG/NF-2和GO進(jìn)行光致熒光光譜分析(PL), 結(jié)果如圖8所示。 通常光譜的強(qiáng)度越高表示光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合率越高[29], 從圖中可以看出Ag3PO4中引入GO后, 光譜強(qiáng)度下降, 說(shuō)明Ag3PO4中引入的GO可以抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合, 提高載流子分離效率, 有利于光催化性能的提升。
圖7 AG/NF-1的XPS譜
研究表明光催化降解氣相污染物反應(yīng)符合Langmuir-Hinshewood模型[30]
(1)
式(1)中:r為光催化反應(yīng)速率;t為光照反應(yīng)時(shí)間、c為乙烯氣體的瞬間濃度、k為吸附速率常數(shù)、K為反應(yīng)速率常數(shù)。
圖8 樣品的PL光譜
經(jīng)過(guò)分離變量積分, 可以簡(jiǎn)化為以下一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程
(2)
式(2)中c0,K′分別表示乙烯氣體的初始濃度, 光催化速率常數(shù); 光催化速率常數(shù)K′作為評(píng)價(jià)光催化反應(yīng)速率快慢的指標(biāo)。
表1 可見(jiàn)光下Ag3PO4/GO薄膜光催化降解乙烯一級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)
圖9是所有樣品可見(jiàn)下光催化降解乙烯一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合, 表1是光催化降解乙烯動(dòng)力學(xué)參數(shù)。 可以看出所有樣品的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合相關(guān)系數(shù)都大于0.95, 說(shuō)明Langmuir-Hinshewood模型適合泡沫鎳網(wǎng)負(fù)載Ag3PO4/GO薄膜光催化降解乙烯。 從光催化速率常數(shù)更加直觀地看出所制備樣品的光催化降解乙烯活性。 可以看出Ag3PO4中引入GO后光催化速率常數(shù)從6.1×10-4min-1提高到1.72×10-3min-1, 說(shuō)明引入GO后, 光催化反應(yīng)速率加快, 其中樣品AG/NF-2的反應(yīng)速率最大。 對(duì)于單一的Ag3PO4而言, 在光催化過(guò)程中, 光生電子不能有效地利用起來(lái)而富集在Ag3PO4表面, 富集的光生電子會(huì)將Ag+還原成單質(zhì)銀, 使Ag3PO4發(fā)生自身的光降解。 而當(dāng)Ag3PO4/GO復(fù)合后, 抑制了電子-空穴對(duì)的復(fù)合, 光生載流子的分離速率得到了很大的提升, 光催化活性增強(qiáng)。
圖9 樣品在可見(jiàn)光下的光催化動(dòng)力學(xué)擬合直線(xiàn)
圖10(a)和(b)分別是樣品AG/NF-2和AP/NF的光催化降解乙烯的穩(wěn)定性測(cè)試圖。 從圖中可以看出, 經(jīng)過(guò)了4次循環(huán)后樣品AG/NF-2光催化降解效率沒(méi)有明顯的下降, AP/NF的光催化活性顯著降低, 主要是因?yàn)镚O的加入抑制了Ag3PO4的光腐蝕, 促進(jìn)了電子-空穴對(duì)的分離。 這充分說(shuō)明Ag3PO4/GO復(fù)合體系是一種穩(wěn)定的可見(jiàn)光催化體系。 對(duì)于果蔬保鮮具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
圖10 AG/NF-2(a), AP/NF(b)光催化降解乙烯穩(wěn)定性測(cè)試
圖11 Ag3PO4/GO的光催化原理圖
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(1)以硅酸鈉為粘結(jié)劑, 整合Ag3PO4和GO的光催化特性和金屬泡沫鎳網(wǎng)的優(yōu)良特性, 采用浸漬提拉法制備了一系列金屬泡沫鎳網(wǎng)負(fù)載Ag3PO4/GO薄膜復(fù)合材料, 對(duì)所制備的薄膜材料進(jìn)行了光學(xué)性能、 化學(xué)成分、 表面形貌、 電子-空穴對(duì)復(fù)合情況、 分子結(jié)構(gòu)和晶相結(jié)構(gòu)作了表征分析, 結(jié)果表明Ag3PO4/GO成功負(fù)載到金屬泡沫鎳網(wǎng)表面, Ag3PO4與GO復(fù)合后, 在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)的吸光度增加, GO的加入抑制了Ag3PO4光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合, 有利于光催化性能的提升。
(2)以果蔬儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中釋放的乙烯為降解目標(biāo), 考察了所制備催化劑在可見(jiàn)光下的光催化活性和光催化穩(wěn)定性, 對(duì)光催化過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。 結(jié)果表明: 隨著GO量的增加, Ag3PO4/GO的光催化乙烯速率常數(shù)先增大后減小, 樣品AG/NF-2的光催化活性最強(qiáng), 光催化降解乙烯性能穩(wěn)定。
(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了泡沫鎳網(wǎng)負(fù)載Ag3PO4/GO催化劑光催化降解乙烯機(jī)理。 為光催化材料在果蔬保鮮中的應(yīng)用提供了新的思路, 具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。