室内弱光条件下磷酸银降解有机染料

论文总字数：18102字

目 录

1 引言 1

1.1 光催化的研究背景及意义 1

1.2 光催化的反应机理 1

1.3 磷酸银的研究进展 2

1.4研究目的 2

2 实验试剂与仪器 2

2.1 实验试剂 2

2.2 实验仪器 2

3 制备催化剂与活性测试 2

3.1 光催化剂的制备 2

3.1.1 树突磷酸银的制备 3

3.1.2 微管磷酸银的制备 3

3.1.3 四足磷酸银的制备 3

3.1.4 十二面体磷酸银的制备 3

3.2 光催化性能的测试 3

4 实验结果 4

4.1降解单一染料溶液 4

4.1.1 在人造可见光源下 4

4.1.2 在室内自然的弱光条件下 6

4.2 降解混合染料溶液 8

4.1.1 在人造可见光源下 8

4.1.2 在室内自然的弱光条件下 9

4.3 无机盐离子的影响 10

4.4稳定性和降解机理 12

4.5 结论 15

5 总结与展望 15

参考文献 16

致谢 18

室内弱光条件下磷酸银降解有机污染物

刘喆

，China

Abstract:Silver phosphate, as an efficient new photocatalyst, exhibits an interestingly stronger oxidizingand higher photocatalytic activity. Besides, the method for degradation of rhodamine B (RhB),methyl orange (MO) and their mixture solutions are used as probe reaction to investigate the photocatalytic activity of the Ag₃PO₄ under natural indoor weak light irradiation.Ag₃PO₄ shows a high stability under natural indoor weak light irradiation. Scanning electron microscopy (SEM),X-ray diffraction (XRD), BET and cycling experiment are applied to analyze its characterizations.

Keywords:photocatalyst；silver phosphate (Ag₃PO₄)；weak light；photocatalytic activity

1 引言

1.1 光催化的研究背景及意义

从上世纪开始，能源危机与环境污染已经对人类生存带来巨大的威胁^[1]。而水体污染更是不容小觑。工业生产排放的废水中含有许多无机和有机的污染物^[2]。如：酚类，多氯联苯和多环芳烃等。这些污染物对水体造成了严重的污染^[3]，威胁到人类的生命安全。工业废水含有多种组分且多数具有毒性，而且工业废水的排放量大。这使充分净化工业废水变得难上加难。作为工业废水的一个典型例子，RhB，一种阳离子染料，通过光催化反应能够将水中的有机污染物降解成为水和二氧化碳等小分子或者无毒的物质，从而达到有效净化水体的效果。

光催化通过利用可再生的太阳能、半导体光催化剂对污染物进行降解，减少对环境的污染。光催化是一项绿色、节能、环保的技术，同时不会带来二次污染。尤其在污水处理和净化空气方面应用广泛。TiO₂是最具有代表性的高效光催化材料之一，从1972年日本科学家Fujishima和 Honda等^[4]发现TiO₂单晶电极可以光催化分解水，此后，TiO₂广泛应用于光催化领域。可TiO₂只对紫外光响应，但紫外光不足太阳光总能量的5%，而太阳光总能量的43%都是可见光，研究可见光响应的光催化剂势在必行。近年来，研究者们不断开发新型的可见光响应的光催化剂。在可见光响应的光催化材料中，磷酸银的光催化性能十分突出。因此，利用磷酸银降解污水中的有机污染物是十分可行的。

1.2 半导体光催化反应机理

光催化材料一般是半导体。半导体是一种导电性可受控制，范围从绝缘体到导体之间的材料^[5]。能带分为导带，价带和禁带。禁带在价带和导带之间。半导体中存在上述的三种能带。

光催化原理, 普遍采用半导体能带理论进行解释:当入射光能量大于或等于半导体材料的禁带宽度时^[6], 半导体中的电子受激发价带中的部分电子会越过禁带，跃迁进入能量较高的空带^[7]，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少电子后形成带正电的空位，称为空穴^[8]。导带中的电子和价带中的空穴合称电子—空穴对。

以TiO₂的光催化过程，表述半导体的光催化反应机理：当TiO₂被可见光中的紫外光照射后，当入射光能量大于或等于TiO₂的禁带宽度（3.2eV)时,TiO₂价带中的一些电子会进入能量较高的空带，成为导带。而价带中缺少电子后形成带正电的空位，这种电子空穴对具有很强的氧化还原活性，空穴与导带上的电子和吸附在催化剂表面的H₂O，OH^-，O₂或有机物等反应。OH·自由基可通过H₂O·与带正电的空穴氧化而得^[9],也可以通过吸附氧对e^-的还原反应而生成O^2-, 随后生成H₂O₂和OH·^[10]。OH·自由基和O₂·可以将污染物进行氧化降解，生成一些无机小分子^[11]。例如：水（H₂O)，二氧化碳（CO₂)等。从而实现光催化降解有机污染物的目的。

1.3 磷酸银的研究进展

众所周知，光催化剂的性能会受到粒子形貌，尺寸大小和表面结构的显著影响。迄今为止，磷酸银被报导过的形貌包括多孔微管状^[12]，树突状^[13]，四足状^[14]，立方体和菱形十二面^[15]体磷酸银等等。2011年在JACS上报导了立方体和菱形十二面体形貌^[15]的磷酸银，实验证明菱形十二面体磷酸银的光催化活性最好（4min降解MO，3min降解RhB），立方体略差（约14min和8min），球形最差（约28min和14min）。这项研究表明{110}面是高面能并且大的比表面积在提高磷酸银的光催化性能中起到重要的作用。多种形貌的磷酸银共同点是它们都具有良好的光催化活性。因此磷酸银在治理环境污染方面具有很广阔的发展前景。

此外，在催化剂的活性方面，与其他光催化剂相比磷酸银原本就是一种高效的光催化剂。因此，其一直被广泛地研究。但在光催化反应中磷酸银并不稳定，因为光照或受热时，Ag 很容易变成Ag，存在严重的光腐蚀现象。影响了磷酸银在实际应用中的降解能力。从实际应用的观点，应该提高磷酸银的稳定性和使用寿命。研究者们提出复合半导体，控制形貌等方法增强磷酸银的稳定性。但很少有报导研究光的强度对磷酸银的使用寿命的影响。

1.4 研究的目的

目前工业生产的废水排放是困扰人类和污染环境的普遍存在的难题，因为废水中含有大量的有机污染物。由于大部分光催化剂都是在紫外光或可见光条件下响应，但现在研究发现磷酸银可以在室内自然的弱光照射条件下具有很强的稳定性和降解能力。通过弱光下降解溶液中的有机污染物，表明了磷酸银的具有很强的降解能力。从节约能源的观点来看，这项研究表明我们可以利用含银的光催化剂在室内弱光条件下，清除废水中的有机染料。无须人造光源。

2 实验试剂与仪器

2.1 实验的主要试剂

聚乙二醇200（PEG200），乙酸银，硝酸银，85%的磷酸，乌洛托品，四氢呋喃和氢氧化钠从上海试剂公司购买。实验中使用的的试剂都是分析纯级，过程中无须提纯。

2.2 实验的主要仪器

超声波清洗器，电子分析天平，低速离心机，移液枪，鼓风干燥机，聚四氟乙烯内衬高压釜，磁力搅拌器，扫面电子显微镜（SEM），X射线衍射仪（XRD），紫外-可见光谱仪（UV-vis），比表面积分析仪（BET）。

3 催化剂的合成及活性测试

3.1光催化剂的合成

3.1.1 树突磷酸银的制备

树突磷酸银的制备参考已发表文献的方法^[11]。将8ml四氢呋喃（THF）加入32mL蒸馏水中，然后将0.381g硝酸银加入混合溶液中搅拌，之后在混合液中逐滴加入41μL 85%的磷酸，最后将0.197g乌洛托品加入上述溶液，整个反应过程都是在室温下搅拌。搅拌5min后得到黄色晶体。洗涤几次，常温下干燥

3.1.2 微管磷酸银的制备

微管磷酸银的制备方法可参考我们实验组已报道出的文章^[12]。将2mmol的醋酸银在室温下加入聚乙二醇200（PEG200)，在不断地搅拌下，将40μL 85%的磷酸加入上述溶液。搅拌15min后，生成沉淀并且用蒸馏水和乙醇分别洗涤3次。最后将样品在60摄氏度烘干4小时。

3.1.3 四足磷酸银的制备

四足磷酸银的制备方法可参考我们实验组已报道出的文章^[14]。将3mmol 85%磷酸溶解于80mL蒸馏水中，不断地搅拌加入2.5mmol硝酸银，接着将37.5mmol尿素溶解于上述溶液，再将上述混合液转移至聚四氟乙烯内衬的高压釜中，并置于80摄氏度恒温鼓风干燥箱条件下反应24小时，最后将最终反应所得黄色晶体于60摄氏度条件下干燥24小时。

3.1.4 十二面体磷酸银的制备

十二面体磷酸银的制备^[15]可以参考2011年文献中发表的方法。室温条件下，将0.2g醋酸银溶于蒸馏水中，将0.15mol的NaHPO₄溶液逐滴加入上述溶液中，常温下干燥得到金黄色的沉淀。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：18102字

相关图片展示：