三氧化钨纳米晶的制备及催化性能研究

摘 要：三氧化钨能有效降解有机污染物，是一种禁带间隙能值较低的纳米功能材料，因其良好的催化、传感以及光电转换等性能，成为目前功能材料研究的热点。为了测定WO3纳米晶的最佳催化性能，本实验采用溶胶凝胶法制备WO3纳米晶薄膜。最终得出合成酸和络合剂为HNO3和H2C2O4，温度为450℃的环境下，WO3具有最佳催化性能，对酸性品红的光解率达到77.56%，远优于其他样品。

关键词：三氧化钨;纳米晶薄膜;光催化性能;溶胶凝胶法

1、绪论

由于人类文明的进步，水污染和有害气体污染问题日益严重，这与人类生活有着密不可分的关系，并不断威胁着人类的生存安全。污染物的数量和质量都在不断变化，并且在每年新增的3800种化学品中，至少有300种新材料不断被合成，这对致力于解决环境问题的科研人员都是极大的挑战[1]。

氧化钨，分子式为WO3，分子量为 231.85，是一种禁带间隙能值较低的纳米功能材料，因其良好的催化、传感以及光电转换等性能，成为目前功能材料研究的热点[2]。严格化学计量比的WO3晶体结构为正八面体，其中心为钨原子，周围环绕六个氧原子。事实上，WO3的晶格结构因氧离子的缺失而发生畸变。当钨/氧比不能满足1：3时，氧空位的存在使其以一系列亚化学计量比的WO3-x（0

2、三氧化钨纳米晶的制备

2.1实验原理

本实验采用溶胶凝胶法制备三氧化钨纳米晶，即将原料分散在溶剂中，经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合成为溶胶，生成具有一定空间结构的凝胶[4]。凝胶经过干燥、烧结固化制备出纳米亚结构的材料。

2.2三氧化钨溶胶制备

称取1.00ɡ钨酸钠至洁净干燥的烧杯中，加水溶解，滴加HCL生成H2WO4沉淀后，继续滴加HCL至再无沉淀生成，向其中滴加络合物H2O2溶液至沉淀完全溶解。以此制备出酸为HCL、H2SO4、HNO3、H3PO4，络合物为H2O2、H2C2O4、C6H8O7的三氧化钨溶胶。

2.3三氧化钨薄膜的制备

本实验将采用浸渍提拉法在处理过的玻璃基底表面制备三氧化钨薄膜。用镊子夹住载玻片的一角，将其浸入三氧化钨溶胶，匀速拉出[5]，待载玻片上的溶胶自然晾干后，依次提拉载玻片其他三角，重复四到五次。

2.4三氧化钨薄膜热处理

将制备好的三氧化钨薄膜放入坩埚，置于马弗炉，设置好马弗炉的温度和升温速度[6]，进行热处理一小时，热处理温度分别为100℃、200℃、300℃、400℃、450℃和500℃。

3、实验测定

3.1最大吸收波长的测定

取两个干燥洁净的烧杯，一只加入5ml的酸性品红溶液，另一只加入5ml的酸性品紅及制得的薄膜，放在太阳下光照45分钟，用紫外可见分光光度计测量两个烧杯内的酸性品红溶液的吸光度，测量波长范围为400nm-600nm。通过观察数据可以直观的发现酸性品红溶液的最大吸收波长为550 nm。

3.2最佳温度的测定

将煅烧过的三氧化钨纳米晶薄膜冷却后放到5ml酸性品红溶液中，光照45分钟，再测其吸光度，判断其最佳煅烧温度为450℃。随着煅烧温度的升高，经三氧化钨纳米晶薄膜光催化降解后的酸性品红溶液的吸光度数值不断减小，但当温度升至大于450℃时，其吸光度数值又增大了。

3.3最佳酸与络合物的确定

将制备的12种三氧化钨溶胶薄膜经最佳温度450℃热处理后，放到盛有5 ml酸性品红溶液的烧杯中，光照45 min，测其吸光度，得出三氧化钨纳米晶的光催化活性：

（1）当络合物为H2O2溶液时，HNO3、H2SO4>H3PO4>HCL;

（2）当络合物为H2C2O4时，HNO3>H2SO4>HCL>H3PO4;

（3）当络合物为C6H8O7时，H2SO4>HNO3>HCL>H3PO4;

故由硝酸与草酸制得的三氧化钨纳米晶薄膜是最佳薄膜[7]，其降解效果最显著，光催化降解能力最强。

3.4可见光下的降解率

通过数据可以看出：三氧化钨纳米晶薄膜对酸性品红溶液的降解率随着光照时间的增加不断增大[8]。当降解时间为60 min时三氧化钨纳米晶薄膜对酸性品红溶液的降解率高达77.56%[9]。因此，三氧化钨纳米晶薄膜具有良好的可见光催化性能。

3.5稳定性的测定

由数据可以看出：三氧化钨纳米晶薄膜对酸性品红溶液的前五次降解效果比较显著，其降解能力随着降解次数的增加逐渐减弱，有效使用次数约为4-5次，因此三氧化钨纳米晶薄膜能够达到有效降低污水处理成本的目的。

4、结论

通过一系列实验，我们发现当合成酸和络合物为硝酸和草酸、煅烧温度为450℃时，三氧化钨纳米晶薄膜具有最佳光催化活性，对酸性品红溶液的光降解率高达77.56%，并且具有良好的重复使用性。

参考文献

[1]超细三氧化钨粉体的研究现状及应用前景[J].喻晓剑，彭志宏. 金属材料与冶金工程.2011（03）

[2]纳米三氧化钨的制备及其应用研究[J].杨志广，王筠，冯丽，吴亚楠，赵朗. 应用化工.2015（04）

[3]纳米WO3的水热合成及其光催化性能研究[J].张相辉.工业水处理.2015（09）

[4]刘强.金属钨基三氧化钨纳米孔薄膜的制备及其光电催化性能[D].上海：上海交通大学，2014.

[5]岳兰.浸渍提拉法制备有机介质层铝铟锌氧薄膜晶体管[J].半导体光电，2018，39（01）：86-90.

[6]林建平.铟烟尘的微波焙烧/马弗炉焙烧对铟浸出率的影响[D].昆明：云南师范大学，2014.

[7]Yao Y，Zhao N，Feng J J，Yao，M.M.& Li，F.Photocatalytic activities of Ce or Co doped nanocrystalline TiO2-SiO2 composite films.Ceramics International，2013，39（4）：4735-4738.

[8]尹翔.六方相三氧化钨的制备及光催化性能研究[D].长沙：中南大学，2011.

[9]Yao，Y，Yin，M，Yan，J，Yang，D，& Liu，S.F.Controllable synthesis of Ag-WO3 core-shell nanospheres for light-enhanced gas sensors.Sensors and Actuators，B：Chemical.，2017，251：583-589.

作者简介：

黄娜（1999-），女，汉族，宁夏回族自治区固原市人，本科生，研究方向：化工。

（作者单位：宁夏师范学院）