熱處理輝鉬礦光催化原位還原銀離子的研究

袁 媛，賈菲菲，楊丙橋，邢 浩，宋少先

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070;2.武漢工程大學(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，武漢 430073)

0 引 言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)電鍍等行業(yè)發(fā)展迅猛[1]，但由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)淡薄，導(dǎo)致產(chǎn)生的含銀廢水隨意排入河流。微量銀離子(Ag+)即可對(duì)水體生物特別是魚(yú)類(lèi)造成巨大的危害，且對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重污染，最終危害人類(lèi)健康[2]。在“綠水青山就是金山銀山”的新時(shí)代，從含銀廢水中回收銀，不僅響應(yīng)了新時(shí)代綠色發(fā)展的理念，同時(shí)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值，是環(huán)境保護(hù)所面臨的重要課題之一[3-5]。目前常用的銀回收方法有金屬置換法、離子交換法、化學(xué)沉淀法和電解法[6]，其中吸附法因成本低廉、操作簡(jiǎn)單而引起廣泛關(guān)注[7]。活性炭[8]、活性炭纖維[9]和聚氨酯海綿[10]等材料因制備復(fù)雜、與Ag+絡(luò)合作用不大等缺點(diǎn)，難以應(yīng)用于實(shí)際廢水處理中。根據(jù)皮爾遜軟硬酸堿理論[11]可知，Ag原子與S原子具有較強(qiáng)親和力，因此尋找富硫材料對(duì)Ag+的高效吸附回收十分重要。

二硫化鉬(MoS2)是由兩層六角排列的S原子夾雜一層同樣六角排列的Mo原子，S和Mo原子以共價(jià)鍵形式結(jié)合成經(jīng)典的三明治結(jié)構(gòu)，其表面具有豐富的S原子[12]，可作為Ag+吸附回收的潛在材料。MoS2包括1T、2H和3T相三種晶體結(jié)構(gòu)，塊體形態(tài)的MoS2也被稱(chēng)作輝鉬礦，常見(jiàn)的天然輝鉬礦為2H半導(dǎo)體相，也是最為穩(wěn)定的一種賦存狀態(tài)，在自然界中含量豐富[13]。同時(shí)輝鉬礦也是一種廣泛使用的光催化材料，與零帶隙的石墨烯不同，輝鉬礦隨片層厚度不同而使得帶隙可在1.29～1.90 eV之間調(diào)節(jié)，在可見(jiàn)光較寬范圍內(nèi)均具有光電流響應(yīng)[14]。當(dāng)可見(jiàn)光照射到輝鉬礦表面時(shí)，光子可將位于MoS2價(jià)帶位的電子激發(fā)并使其躍遷到導(dǎo)帶位置，同時(shí)在價(jià)帶位置留下具有氧化性的空穴，這些光生電子可在輝鉬礦表面發(fā)生還原反應(yīng)[14]。

考慮到Ag+/Ag0的還原電位約為0.789 eV[15]，而輝鉬礦的導(dǎo)帶約為0 eV[14]，可將Ag+直接還原成Ag單質(zhì)便于回收?；谳x鉬礦的半導(dǎo)體性質(zhì)光催化原位還原Ag+，不僅縮減了傳統(tǒng)Ag單質(zhì)回收技術(shù)中的吸附-脫附-還原三個(gè)步驟，而且輝鉬礦可將Ag+直接還原成Ag納米顆粒。此外，相對(duì)于其他制備Ag單質(zhì)顆粒的方法如電化學(xué)法、化學(xué)還原法和生還原法等，光化學(xué)還原法具有成本低、操作簡(jiǎn)單且綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[15]。與目前已應(yīng)用于光化學(xué)還原沉積貴金屬的材料例如二氧化鈦[16]、高分子殼聚糖[17]和聚乙烯吡咯烷酮[18]等材料相比，輝鉬礦因其飽含S原子、具窄帶隙半導(dǎo)體特性、價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛關(guān)注[19]。然而天然輝鉬礦廣泛暴露的基面化學(xué)活性不大，導(dǎo)致活性點(diǎn)位較少，還原性能較差[20]，因此如何進(jìn)一步豐富輝鉬礦的活性位點(diǎn)是提升Ag+吸附回收效果的關(guān)鍵問(wèn)題。

熱處理是一種增加活性位點(diǎn)及調(diào)節(jié)光吸收能力的最簡(jiǎn)單方法之一，輝鉬礦經(jīng)熱處理后將產(chǎn)生缺陷[21]，從而大量暴露對(duì)Ag具有很強(qiáng)的絡(luò)合作用的不飽和S原子，因此通過(guò)熱處理輝鉬礦可用于提升Ag+的還原效果。本工作還考察了不同pH值、不同還原時(shí)間及不同Ag+初始濃度對(duì)還原效果的影響，并對(duì)其Ag+提升原因進(jìn)行了分析，從而為高效回收Ag+提供一種新的思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)中所用水均來(lái)自Millipore-Q設(shè)備(電阻率為18.2 MΩ·cm)過(guò)濾后的去離子水，且所涉及到的試劑溶液均為現(xiàn)配現(xiàn)用。試驗(yàn)中使用的輝鉬礦均來(lái)源于廣西省梧州市南方礦業(yè)有限公司，在原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試中所用的輝鉬礦為塊狀樣，首先用剪刀裁剪成0.05 cm×1 cm×1 cm的塊狀樣，再由3M膠帶撕掉表層，從而暴露出干凈的新表面以備測(cè)試。此外所有試驗(yàn)均使用粒度大小均為+45 μm的輝鉬礦顆粒。實(shí)驗(yàn)中所用到的試劑HNO3與AgNO3均來(lái)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純。

1.2 制備熱處理二硫化鉬

稱(chēng)取10.0 g輝鉬礦顆粒及一片塊狀輝鉬礦置于瓷舟中，放進(jìn)馬弗爐中，在正?？諝鈼l件下，保持10 ℃/min的升溫速率，由室溫升至400 ℃以后保持恒溫3 h，后自然降溫到室溫，用去離子水沖洗三次后過(guò)濾烘干備用。

1.3 樣品表征

試驗(yàn)中用到的顆粒狀輝鉬礦未進(jìn)行其他處理，直接用于測(cè)試。還原Ag+試驗(yàn)完成后，經(jīng)抽濾凍干后的樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡及其能譜圖(SEM-Mapping)、X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)、X射線(xiàn)衍射(XRD)、拉曼(Raman)等測(cè)試。利用D8 Advance X射線(xiàn)衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行物相分析，測(cè)試條件為Cu-Kα輻射源，掃描速度10°/min。利用ESCALB 250Xi光電子能譜儀對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)元素狀態(tài)分析。利用Zeiss Gemini 300 SEM對(duì)樣品的形貌進(jìn)行表征。使用INVIA Raman光譜儀對(duì)樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。利用德國(guó)Bruker公司的MultiMode 8型原子力顯微鏡測(cè)試熱處理前后輝鉬礦微觀形貌，測(cè)試使用的是峰值力模式。利用Netzsch Sta 449F3同步熱分析儀對(duì)輝鉬礦的穩(wěn)定性進(jìn)行表征，測(cè)試條件為從常溫至1 000 ℃加熱，升溫速率10 ℃/min。利用美國(guó) PerkinElmer公司的Lambda 750S型紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)測(cè)試樣品的紫外可見(jiàn)光譜，研究熱處理前后輝鉬礦的光催化性能。利用日本島津(SHIMADUN)公司的AA-6880型原子吸收光譜儀測(cè)定溶液中Ag的含量。

1.4 原位還原銀離子

還原動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法：稱(chēng)取0.5 g天然輝鉬礦及熱處理輝鉬礦，放進(jìn)1 L初始質(zhì)量濃度為50 mg/L的硝酸銀溶液中，室內(nèi)光條件下反應(yīng),在特定時(shí)間(0～600 min)通過(guò)0.22 μm濾膜過(guò)濾取2 mL溶液，將前1 mL丟棄，另1 mL稀釋?zhuān)迷游展庾V儀測(cè)量溶液中Ag+濃度。

初始濃度對(duì)焙燒輝鉬礦還原Ag+影響實(shí)驗(yàn)：稱(chēng)取0.5 g熱處理輝鉬礦，放進(jìn)不同質(zhì)量濃度的硝酸銀溶液中，體積為1 L，放置于恒溫振蕩器中，于室內(nèi)光(即光照波長(zhǎng)為可見(jiàn)光波段390～780 nm范圍)條件下反應(yīng)，轉(zhuǎn)速為200 r/min，溫度25 ℃，24 h后取樣。

pH值對(duì)熱處理輝鉬礦還原Ag+影響實(shí)驗(yàn)：稱(chēng)取0.5 g熱處理輝鉬礦，放進(jìn)初始質(zhì)量濃度為50 mg/L,pH值分別為1.5、2、2.5、3、4和4.6的硝酸銀溶液中，放置于恒溫振蕩器中，室內(nèi)光條件下反應(yīng),轉(zhuǎn)速為200 r/min，溫度25 ℃，24 h后取樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理輝鉬礦結(jié)構(gòu)表征

圖1所示為400 ℃熱處理前后輝鉬礦的XRD譜。由圖可知，輝鉬礦的XRD譜中出現(xiàn)了14.378°、29.027°、32.677°、39.539°、44.152°、49.788°、60.146°、70.144°，以及78.119°的衍射峰，天然2H型MoS2的JCPDS卡片序號(hào)為37-1492[22]，上述位置的衍射峰分別對(duì)應(yīng)MoS2的(002)、(004)、(100)、(103)、(006)、(105)、(008)、(108),以及(109)晶面。熱處理后輝鉬礦的XRD譜與天然輝鉬礦對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)熱處理后衍射峰幾乎一致，證明輝鉬礦的晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。

圖1 400 ℃處理后的輝鉬礦XRD譜Fig.1 XRD patterns of molybdenite after thermal modification at 400 ℃

圖2 輝鉬礦的熱重曲線(xiàn)Fig.2 TG curve of molybdenite

圖3 輝鉬礦熱處理前后的拉曼光譜Fig.3 Raman patterns of molybdenite before and after thermal modification

輝鉬礦的熱重曲線(xiàn)如圖2所示。由圖可知，在空氣氣氛下，400 ℃前，輝鉬礦由于少量水分的揮發(fā)導(dǎo)致0.43%的質(zhì)量損失[23]。500 ℃至800 ℃之間，由于結(jié)構(gòu)水的揮發(fā)，輝鉬礦質(zhì)量損失了9.89%[24]。當(dāng)溫度超過(guò)800 ℃后，輝鉬礦質(zhì)量急劇下降，這是由于在高溫煅燒下，輝鉬礦氧化產(chǎn)生可揮發(fā)含硫氣體，在此過(guò)程中，輝鉬礦結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞。當(dāng)溫度達(dá)到1 000 ℃時(shí)，重量基本不再損失，剩余物質(zhì)主要為灰分，含量大約為天然輝鉬礦的10%[25]。因此，在400 ℃的溫度下焙燒，輝鉬礦的整體結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，與前面XRD的分析一致。

輝鉬礦熱處理前后的拉曼光譜如3所示。從圖可以看出，輝鉬礦的兩個(gè)峰值分別為383.803 cm-1和409.481 cm-1，這兩個(gè)峰屬于輝鉬礦的特征拉曼峰[26]。經(jīng)400 ℃熱處理后輝鉬礦特征峰的位置幾乎沒(méi)有變化，且兩個(gè)特征峰的間距基本不變，再次證明熱處理對(duì)輝鉬礦的晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有太大的影響。

熱處理前后輝鉬礦表面的AFM照片如圖4所示。從圖中可看出輝鉬礦原礦表面十分光滑干凈，而經(jīng)熱處理后輝鉬礦表面產(chǎn)生了部分三角形形狀的凹坑缺陷。據(jù)報(bào)道，缺陷邊緣多為不飽和S原子，在吸附催化等領(lǐng)域中均為反應(yīng)活性位點(diǎn)[21]，此結(jié)果說(shuō)明熱處理過(guò)程可使輝鉬礦表面產(chǎn)生較多活性位點(diǎn)，從而有利于更多Ag+在熱處理輝鉬礦表面的吸附。

圖4 熱處理前后輝鉬礦AFM照片F(xiàn)ig.4 AFM images of molybdenite before and after thermal modification

2.2 熱處理輝鉬礦光催化原位還原銀離子性能分析

熱處理前后的輝鉬礦對(duì)Ag+的還原動(dòng)力學(xué)如圖5(a)所示。為更好地了解其過(guò)程和速率，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。從圖中可以看出，兩種材料對(duì)Ag+的還原效果呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，均由快轉(zhuǎn)慢并逐漸趨于平衡，平衡的出現(xiàn)可能是因?yàn)榛钚晕稽c(diǎn)被占滿(mǎn)。當(dāng)達(dá)到還原平衡時(shí)，輝鉬礦的還原量為17 mg/g，而經(jīng)過(guò)熱處理的輝鉬礦還原量為23 mg/g，因此經(jīng)過(guò)熱處理的輝鉬礦還原Ag+的性能要遠(yuǎn)強(qiáng)于輝鉬礦。

溶液pH值對(duì)熱處理輝鉬礦還原Ag+的過(guò)程有重要的影響，影響熱處理輝鉬礦的表面電荷強(qiáng)度。如圖5(b)所示，研究了pH值從1.5至4對(duì)熱處理輝鉬礦原位還原Ag+的影響。從圖中可以看到，隨著pH值從1.5增加到3.0，熱處理輝鉬礦對(duì)Ag+的還原量逐漸增加，在pH值為3.0時(shí)，達(dá)到最大，隨后逐漸下降。因此在溶液pH值為3.0時(shí)，熱處理輝鉬礦對(duì)Ag+的還原效果最好，在后續(xù)的試驗(yàn)研究中，均調(diào)節(jié)溶液pH值為3.0。

圖5(c)為銀溶液的初始濃度對(duì)熱處理輝鉬礦原位還原Ag+的影響結(jié)果。從圖中可以看出，熱處理輝鉬礦對(duì)Ag+的原位還原能力隨著溶液初始濃度的增加，先迅速上升后趨于平緩，這可能是因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)熱處理輝鉬礦界面活性位點(diǎn)豐富，Ag+迅速靠近輝鉬礦表面，并被原位還原成Ag單質(zhì)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，材料表面活性位點(diǎn)被占據(jù)，對(duì)Ag+的還原能力逐漸飽和。

圖5 熱處理前后的輝鉬礦還原Ag+動(dòng)力學(xué)行為(a)，溶液pH值(b),及Ag+初始濃度(c)對(duì)熱處理輝鉬礦還原Ag+的影響Fig.5 Reduction Ag+ dynamic performance on molybdenite before and after thermal modification(a), solution of pH (b) and initial Ag+ concentration (c) on Ag+ reduction using thermally modified molybdenite, respectively

為了證明Ag元素的存在狀態(tài)，采用XPS對(duì)吸附Ag+后的熱處理輝鉬礦進(jìn)行分析，Ag元素的窄譜圖如圖6所示。從擬合結(jié)果可知，兩個(gè)明顯的特征峰位于結(jié)合能為368.6 eV和374.65 eV處，分別對(duì)應(yīng)Ag 3d5/2和Ag 3d3/2的峰，根據(jù)前人研究結(jié)果可知[27]，這是Ag單質(zhì)的峰，即輝鉬礦表面Ag以單質(zhì)的形式存在，說(shuō)明熱處理輝鉬礦可以通過(guò)原位還原來(lái)回收硝酸銀溶液中的Ag+。

圖6 熱處理輝鉬礦還原Ag+后的Ag 3d的XPS窄譜Fig.6 XPS spectra for Ag 3d of thermally modified molybdenite after reduction

圖7為熱處理輝鉬礦還原銀后的SEM-EDS結(jié)果。從圖(a)中可以看出，熱處理輝鉬礦為片狀結(jié)構(gòu)，表面較為粗糙。而從圖(b)、(c)、(d)中可以看出樣品中主要含有Mo、S、Ag等元素。由(d)圖測(cè)試結(jié)果可知，Ag元素均勻的分布在熱處理輝鉬礦表面，而右下角處可歸為Ag單質(zhì)的存在。

圖7 熱處理輝鉬礦還原Ag+后的SEM-EDS照片F(xiàn)ig.7 SEM-EDS images of thermally modified molybdenite after reduction

2.3 機(jī)理解釋

為探究熱處理對(duì)輝鉬礦還原銀的促進(jìn)機(jī)理，對(duì)熱處理前后輝鉬礦進(jìn)行了紫外可見(jiàn)吸收光測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，熱處理前后，輝鉬礦展現(xiàn)的吸收峰數(shù)量及位置均未發(fā)生變化，再次證明熱處理并未改變輝鉬礦的結(jié)構(gòu)。熱處理后各吸收峰的強(qiáng)度增加，說(shuō)明熱處理后輝鉬礦的光吸收能力提高，從而增強(qiáng)其原位光還原Ag+效果。

圖8 輝鉬礦熱處理前后的紫外可見(jiàn)譜Fig.8 UV-vis spectra of molybdenite before and after thermal modification

3 結(jié) 論

(1)熱處理對(duì)輝鉬礦的晶體結(jié)構(gòu)影響較小。

(2)熱處理可顯著提高輝鉬礦對(duì)Ag+的原位還原性能，由原礦的17 mg/g提升到熱處理后的23 mg/g。

(3)在Ag+初始濃度為50 mg/L及溶液pH值為3.0的條件下，熱處理輝鉬礦原位還原Ag+效果最好。

(4)熱處理對(duì)輝鉬礦原位還原Ag+效果的提升來(lái)自于其對(duì)可見(jiàn)光吸收強(qiáng)度變高及其活性位點(diǎn)變多。