AgNbO3/g-C3N4复合材料的制备及其光催化性能研究*

2020-12-31顾建冬马帅帅

广州化工 2020年24期

顾建冬，高媛，马帅帅

(江苏理工学院化学与环境工程学院，江苏常州 213001)

在经济快速发展的大环境下，人们生活水平较之前有很大提高，对印染的需求越来越高，许多难以降解的有毒污染物流入有机废水中，其中RhB是一种典型难降解和易累积的有机污染物，对生态环境和人类健康构成了严重影响[1]。光催化技术作为一种高效绿色氧化技术，可以利用太阳能驱动一系列重要化学反应，如光解水制氢、二氧化碳还原和有机污染物降解等，可以应用于印染废水的降解，在解决能源和环境危机，实现社会的可持续发展方面有重要的应用前景[2]。光催化技术的核心是制备高活性的光催化剂。

氮化碳(g-C3N4)作为一种新型的非金属有机聚合物半导体，具有廉价易得、可见光响应、特殊的电子能带结构和优异的化学稳定性等优点，引起众多学者的关注。其在能源和环境方面的应用主要有光解水产氢，二氧化碳还原、有机污染物去除、吸附重金属离子以及降解大气污染物等。但是g-C3N4仍然存在电子空穴复合率高、可见光响应范围窄、比表面积小等缺点，严重制约了其在光催化领域和能源领域的广泛应用[3]。

AgNbO3具有中等的带隙(2.8 eV)和可见光响应，是一种特殊的光子晶体[4]，因此，AgNbO3被认为是一种有前景的可见光驱动光催化剂。本研究以硝酸银、五氧化二铌和三聚氰胺为原料，通过焙烧法一步制备了AgNbO3/g-C3N4复合材料，对其物相结构和形貌进行表征，并且研究了其光催化性能。

1 实验

1.1 试剂及仪器

三聚氰胺，国药化学试剂有限公司；硝酸银，国药化学试剂有限公司；氧化铌，国药化学试剂有限公司；HCl，国药化学试剂有限公司；NaOH，国药化学试剂有限公司；无水乙醇，国药化学试剂有限公司；所有试剂均为分析纯，未经纯化，直接使用。

X射线粉末衍射(XRD)，Bruker公司；扫描电镜(SEM，工作电压20 kV)，TESCAN公司；UV2600紫外-可见分光光度计(UV-Vis)，南京菲勒仪器有限公司。

1.2 实验内容

1.2.1 AgNbO3/g-C3N4复合材料的制备

将硝酸银和氧化铌以物质的量n=1：2放入研磨中进行研磨，然后向该混合粉末中分别加入18 g、7.2 g、3.6 g、2.4 g和1.8 g的三聚氰胺并进行充分研磨。将磨好的粉末转移至马弗炉内以2 ℃·min-1升温速率升至550 ℃后保持6 h，冷却至室温后研磨，制得AgNbO3负载比分别为2%、5%、10%、15%和20%的AgNbO3/g-C3N4复合材料。

1.2.2 光催化性能测试

准确称取10 mg 的光催化剂加入50 mL 10 mg/L的RhB溶液中，超声分散30 min后在暗处搅拌30 min以到达饱和吸附。然后以500 W的氙灯为光源，每隔30 min离心取上层清液，用可见光分光光度计测试吸光度(测试波长为554 nm)。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1是光催化剂的XRD图谱。从图1中可以看出，纯AgNbO3在32.4°、39.8°、46.3°、57.5°和67.4°有明显的衍射峰，与PDF标准卡片(JCPDS 52-0405)一致[5]，说明AgNbO3制备成功。随着AgNbO3含量的增加，AgNbO3/g-C3N4复合材料在27.5°的衍射峰强度逐渐减弱，同时出现了的蓝移现象，可能是由于AgNbO3的引入使得g-C3N4的层间距变大[5]。当AgNbO3的含量小于15%时，在32.4°未出现明显的衍射峰，可能是由于AgNbO3的含量过低。复合材料中均有出现AgNbO3的衍射峰，说明材料复合成功，结晶度良好。

图1 AgNbO3和AgNbO3/g-C3N4的XRD图谱

2.2 SEM分析

g-C3N4、AgNbO3和10% AgNbO3/g-C3N4样品的SEM如图2所示。从图2中可以看出纯的g-C3N4为层状的结构并且表面光滑。纯AgNbO3是一种立方体结构，而且分散均匀。从复合材料的SEM图中可以看出AgNbO3确实是均匀的分布在g-C3N4表面，只有少部分是穿插在片与片之间，且分散性比较好，说明AgNbO3和g-C3N4复合成功。

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

2.3 材料的电化学性能分析

图3(a)是10% AgNbO3/g-C3N4与纯g-C3N4光电流响应图，从图3中可以看出当氙灯开启或者关闭时，两组样品都显示出良好的电流再现性。在光照时，复合光催化剂产生的光电流强度明显优于纯g-C3N4，这说明 AgNbO3/g-C3N4复合材料电子空穴对的分离能力要优于纯物质[6]，这可能是由于AgNbO3引入以后增加了g-C3N4的层间距，使得电子可以在层方向上快速的转移。AgNbO3/g-C3N4复合材料的光电流大小大约是纯g-C3N4的2倍，可见，AgNbO3与g-C3N4的耦合明显改善了电子-空穴对的分离。图3(b)是纯g-C3N4与复合10% AgNbO3/g-C3N4材料的阻抗图。从图3中可看出10% AgNbO3/g-C3N4复合材料的弧线半径小于单体材料的弧线半径，说明10% AgNbO3/g-C3N4复合材料电阻小于纯g-C3N4，光生电子与空穴的复合率低，这与光电流的结果相一致。

图3 g-C3N4和AgNbO3/g-C3N4的光电流图 (a)和阻抗图 (b)

2.4 光催化活性

本研究以RhB为模拟污染物，对制备的各个样品的光催化性能进行了研究，结果如图4所示。从图4中可以看出在未加入催化剂的情况下，RhB的浓度基本不变，说明RhB的自降解过程可忽略不计，纯AgNbO3和g-C3N4对RhB均有降解效果，在光照150 min以后降解率分别为21.1%和35.3%。在AgNbO3负载以后，光催化性能有了显著的提高，复合材料的降解效果都明显优于纯物质。其中10% AgNbO3/g-C3N4复合材料对RhB降解效果最好，在光照150 min以后降解率达到了97.3%。这是由于AgNbO3负载以后，有效地抑制了电子和空穴的复合，延长了光生电子的寿命，从而使得复合材料的光催化活性提高。