AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究*

顧建冬，高 媛，馬帥帥

(江蘇理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大環(huán)境下，人們生活水平較之前有很大提高，對(duì)印染的需求越來(lái)越高，許多難以降解的有毒污染物流入有機(jī)廢水中，其中RhB是一種典型難降解和易累積的有機(jī)污染物，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康構(gòu)成了嚴(yán)重影響[1]。光催化技術(shù)作為一種高效綠色氧化技術(shù)，可以利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)一系列重要化學(xué)反應(yīng)，如光解水制氫、二氧化碳還原和有機(jī)污染物降解等，可以應(yīng)用于印染廢水的降解，在解決能源和環(huán)境危機(jī)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展方面有重要的應(yīng)用前景[2]。光催化技術(shù)的核心是制備高活性的光催化劑。

氮化碳(g-C3N4)作為一種新型的非金屬有機(jī)聚合物半導(dǎo)體，具有廉價(jià)易得、可見(jiàn)光響應(yīng)、特殊的電子能帶結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，引起眾多學(xué)者的關(guān)注。其在能源和環(huán)境方面的應(yīng)用主要有光解水產(chǎn)氫，二氧化碳還原、有機(jī)污染物去除、吸附重金屬離子以及降解大氣污染物等。但是g-C3N4仍然存在電子空穴復(fù)合率高、可見(jiàn)光響應(yīng)范圍窄、比表面積小等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了其在光催化領(lǐng)域和能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[3]。

AgNbO3具有中等的帶隙(2.8 eV)和可見(jiàn)光響應(yīng)，是一種特殊的光子晶體[4]，因此，AgNbO3被認(rèn)為是一種有前景的可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)光催化劑。本研究以硝酸銀、五氧化二鈮和三聚氰胺為原料，通過(guò)焙燒法一步制備了AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料，對(duì)其物相結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征，并且研究了其光催化性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

三聚氰胺，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；硝酸銀，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；氧化鈮，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；HCl，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；NaOH，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；所有試劑均為分析純，未經(jīng)純化，直接使用。

X射線(xiàn)粉末衍射(XRD)，Bruker公司；掃描電鏡(SEM，工作電壓20 kV)，TESCAN公司；UV2600紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis)，南京菲勒儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料的制備

將硝酸銀和氧化鈮以物質(zhì)的量n=1：2放入研磨中進(jìn)行研磨，然后向該混合粉末中分別加入18 g、7.2 g、3.6 g、2.4 g和1.8 g的三聚氰胺并進(jìn)行充分研磨。將磨好的粉末轉(zhuǎn)移至馬弗爐內(nèi)以2 ℃·min-1升溫速率升至550 ℃后保持6 h，冷卻至室溫后研磨，制得AgNbO3負(fù)載比分別為2%、5%、10%、15%和20%的AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料。

1.2.2 光催化性能測(cè)試

準(zhǔn)確稱(chēng)取10 mg 的光催化劑加入50 mL 10 mg/L的RhB溶液中，超聲分散30 min后在暗處攪拌30 min以到達(dá)飽和吸附。然后以500 W的氙燈為光源，每隔30 min離心取上層清液，用可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)試吸光度(測(cè)試波長(zhǎng)為554 nm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1是光催化劑的XRD圖譜。從圖1中可以看出，純AgNbO3在32.4°、39.8°、46.3°、57.5°和67.4°有明顯的衍射峰，與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS 52-0405)一致[5]，說(shuō)明AgNbO3制備成功。隨著AgNbO3含量的增加，AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料在27.5°的衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱，同時(shí)出現(xiàn)了的藍(lán)移現(xiàn)象，可能是由于A(yíng)gNbO3的引入使得g-C3N4的層間距變大[5]。當(dāng)AgNbO3的含量小于15%時(shí)，在32.4°未出現(xiàn)明顯的衍射峰，可能是由于A(yíng)gNbO3的含量過(guò)低。復(fù)合材料中均有出現(xiàn)AgNbO3的衍射峰，說(shuō)明材料復(fù)合成功，結(jié)晶度良好。

圖1 AgNbO3和AgNbO3/g-C3N4的XRD圖譜

2.2 SEM分析

g-C3N4、AgNbO3和10% AgNbO3/g-C3N4樣品的SEM如圖2所示。從圖2中可以看出純的g-C3N4為層狀的結(jié)構(gòu)并且表面光滑。純AgNbO3是一種立方體結(jié)構(gòu)，而且分散均勻。從復(fù)合材料的SEM圖中可以看出AgNbO3確實(shí)是均勻的分布在g-C3N4表面，只有少部分是穿插在片與片之間，且分散性比較好，說(shuō)明AgNbO3和g-C3N4復(fù)合成功。

圖2 g-C3N4(a)、AgNbO3(b)和10%AgNbO3/g-C3N4(c)的

2.3 材料的電化學(xué)性能分析

圖3(a)是10% AgNbO3/g-C3N4與純g-C3N4光電流響應(yīng)圖，從圖3中可以看出當(dāng)氙燈開(kāi)啟或者關(guān)閉時(shí)，兩組樣品都顯示出良好的電流再現(xiàn)性。在光照時(shí)，復(fù)合光催化劑產(chǎn)生的光電流強(qiáng)度明顯優(yōu)于純g-C3N4，這說(shuō)明 AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料電子空穴對(duì)的分離能力要優(yōu)于純物質(zhì)[6]，這可能是由于A(yíng)gNbO3引入以后增加了g-C3N4的層間距，使得電子可以在層方向上快速的轉(zhuǎn)移。AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料的光電流大小大約是純g-C3N4的2倍，可見(jiàn)，AgNbO3與g-C3N4的耦合明顯改善了電子-空穴對(duì)的分離。圖3(b)是純g-C3N4與復(fù)合10% AgNbO3/g-C3N4材料的阻抗圖。從圖3中可看出10% AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料的弧線(xiàn)半徑小于單體材料的弧線(xiàn)半徑，說(shuō)明10% AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料電阻小于純g-C3N4，光生電子與空穴的復(fù)合率低，這與光電流的結(jié)果相一致。

圖3 g-C3N4和AgNbO3/g-C3N4的光電流圖 (a)和阻抗圖 (b)

2.4 光催化活性

本研究以RhB為模擬污染物，對(duì)制備的各個(gè)樣品的光催化性能進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出在未加入催化劑的情況下，RhB的濃度基本不變，說(shuō)明RhB的自降解過(guò)程可忽略不計(jì)，純AgNbO3和g-C3N4對(duì)RhB均有降解效果，在光照150 min以后降解率分別為21.1%和35.3%。在A(yíng)gNbO3負(fù)載以后，光催化性能有了顯著的提高，復(fù)合材料的降解效果都明顯優(yōu)于純物質(zhì)。其中10% AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料對(duì)RhB降解效果最好，在光照150 min以后降解率達(dá)到了97.3%。這是由于A(yíng)gNbO3負(fù)載以后，有效地抑制了電子和空穴的復(fù)合，延長(zhǎng)了光生電子的壽命，從而使得復(fù)合材料的光催化活性提高。

圖4 不同材料的光催化降解

3 結(jié) 論

本文通過(guò)焙燒法一步制備了AgNbO3/g-C3N4復(fù)合材料。XRD和SEM結(jié)果表明復(fù)合材料的結(jié)晶度良好，并且分散均勻，復(fù)合情況良好。將復(fù)合催化劑對(duì)羅丹明B進(jìn)行光降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明10% AgNbO3/g-C3N4復(fù)合光催化劑降解效果最好，降解率達(dá)到了97.3%。