Ag3PO4/g-C3N4 复合光催化剂的合成及其性能研究进展*

郑广顺，耿佳静，赵世纪，李佳佳，靳爱玲

（郑州师范学院 化学化工学院，河南 郑州450044）

引言

工业的快速发展的同时也带来了严重的环境污染和能源危机问题。有机污染物污染是最严重的水污染问题之一。处理水体环境的方法有很多，如物理吸附法[1]、膜分离技术[2]。它们成本较高，且仅能分离染料。染料种类多，且大多合成染料自身具有抵制褪色的特性，不易被降解。所以，寻找一种高能有效且环保的方法极为迫切。光催化技术是指在太阳的照射下，使水溶液中的催化剂产生超氧自由基和羟基自由基，通过氧化反应对有机染料污染物进行降解[3]，在治理水体污染问题上有着良好的应用发展前景。磷酸银（Ag3PO4）及其复合光催化剂在这方面有很好的应用前景[4-10]。与其他催化剂相比，Ag3PO4的吸光性能好、量子效率也更高。石墨相氮化碳（g-C3N4）稳定性好，且可吸收可见光和成本低。利用化学方法将Ag3PO4和g-C3N4进行有效复合得到Ag3PO4/g-C3N4复合光催化剂，利用两者的协同作用，既可以保证其稳定性，又可以提高光催化性能。本文将从Ag3PO4/g-C3N4复合光催化剂制备方法、表征手段及其光催化性能等方面进行相关综述。

1 Ag3PO4/g-C3N4 复合材料的研究进展

1.1 制备方法综述

Ag3PO4/g-C3N4复合材料的制备方法多种多样，主要有溶剂蒸发法、原位沉淀法等，它们在制作步骤，制作工艺，制作时长等方面上有所不同，各有优劣。

1.1.1 溶剂蒸发法

Chunni Tang 等人[11]采用溶剂蒸发法，制备了四面体的Ag3PO4/g-C3N4复合光催化剂。该系列催化剂对亚甲基蓝（MB）溶液的降解结果表明，Ag3PO4/g-C3N4复合光催化剂中g-C3N4的含量为10%时，光催化降解性能最佳，降解率高达99%。

1.1.2 原位沉淀法

Haoran Wang 等人[12]采用原位沉淀法在室温下制备了多孔的g-C3N4纳米包裹Ag3PO4复合材料。研究结果表明：多孔g-C3N4纳米包裹Ag3PO4复合材料的吸收边为480nm，明显拓宽了g-C3N4的光吸收带边（440nm）。

1.2 Ag3PO4/g-C3N4 壳核复合光催化剂的研究进展

Liu 等[13]利用图1 的思路设计合成Ag3PO4/g-C3N4壳核复合光催化剂、s-三嗪环结构的层状材料g-C3N4，并对该系列催化剂的光催化性能进行了研究，结果表明：随着g-C3N4含量的升高Ag3PO4/g-C3N4的光催化活性先升高后下降。当g-C3N4含量为7.0%时，Ag3PO4/g-C3N4壳核复合光催化剂的光催化活性具有最高光催化活性，有97%的污染物降解率。

图1 Ag3PO4/g-C3N4 壳核复合光催化剂的制备原理图

图2 Ag3PO4（a）g-C3N4，（b）Ag3PO4/g-C3N4，（c）SEM 图和Ag3PO4/g-C3N4，（d）TEM 图

1.3 不同形貌Ag3PO4/g-C3N4 复合材料研究进展

1.3.1 四面体Ag3PO4/g-C3N4复合材料研究进展

制备方法概述：Ikki Tateishi 等人[15]采用原位沉淀法，制备了四面体Ag3PO4/g-C3N4复合光催化剂。对其性能研究的结果表明随着催化剂中g-C3N4的比例增加，光解水产氧的活度先升高后降低。其最低的光水解产氧活度，甚至低于加入纯Ag3PO4光催化剂光解水产氧活度；在所有的复合光催化剂中，含有10%的g-C3N4的Ag3PO4/g-C3N4复合光催化降解甲基橙的活性最高，仅用2min 见光照射就能使甲基橙完全脱色。

1.3.2 十二面体Ag3PO4/g-C3N4复合材料研究进展

Hongbin Yu 等人[16]制备十二面体Ag3PO4/g-C3N4复合光催化剂后并研究了改系列催化剂的微观形貌（图2）：Ag3PO4裸颗粒和g-C3N4分别为良好的十二面体结构和典型的皱褶状薄片状的。十二面体Ag3PO4/g-C3N4复合材料中Ag3PO4粒子是被层状g-C3N4紧密包裹。对其光催化性能的研究结果表明复合光催化剂的光催化活性最高。

1.4 影响因素概述

光强度：在光催化实验中，随着光强度的增加，光生电子-空穴对也会增多光催化反应降解速率就会加快。光生电子和空穴的捕获：在光催化反应过程中，光生电子-空穴对会发生分离和复合的竞争过程。但是对于光催化反应来说，光生电子和空穴的有效分离更为关键，所以，向溶液中加入适当的电子或空穴的捕获剂，阻止其复合过程，可以提高光催化反应速率。Ag3PO4和g-C3N4的质量比：H. Katsumata 等人[17]研究了催化剂中Ag3PO4和g-C3N4的质量比对其光催化活性的影响。结果表明，25% g-C3N4/Ag3PO4复合光催化剂的光催化降解速率最快、活性最高。其他影响因素还有Ag3PO4的晶体状态和颗粒直径等。

2 应用研究

2.1 光催化燃料电池

Hongbin Yu 等人[16]分别采用滴涂法和电沉积法制备了Ag3PO4/g-C3N4光阳极和Cu2O 光电阴极，采用降解TC的方式，研究了不同光阳极的PFC 性能。结果表明含Ag3PO4/g-C3N4光阳极的PFC 对TC 的降解速率分别为含单组分光阳极的PFC（Ag3PO4或g-C3N4）的2.53倍和3.65倍，即采用Ag3PO4/g-C3N4光阳极，可以大大提高PFC 性能。

2.2 光催化降解有机污染物

光催化降解有机污染物的本质在于：太阳光作为驱动能，催化剂在吸收特定波长的可见光后，产生的光生电子-空穴对被捕获，产生超氧自由基和羟基自由基作用于有机污染物，发生氧化还原反应，以实现降解。相对于其他的光催化剂，Ag3PO4的氧化能力更强，具有更高的有机污染物降解能力。近年来，有关Ag3PO4的复合光催化剂在光催化降解有毒有机污染物的应用中引起了广大研究者的关注[19-20]。

2.3 其他应用研究

Ag3PO4可见光催化剂因其特殊的价带位置和导带位置，在吸收特定波长的可见光后，产生作用于水的光生电子-空穴对，能够光解水制备清洁能源氢气；可见光催化剂可以降解长期蓄积在人体内的环境药物，环境药物指主要成分为抗生素的新型环境污染物，随着时间会对人体造成不可逆转的伤害；光催化剂可以提高二氧化碳的化学转换率，将其还原为一氧化碳，甚至有机燃料；光催化剂还可以用来治理环境中的有害气体氮氧化物等气相污染物、灭活大肠杆菌等病原微生物。

3 结束语

本文综述了Ag3PO4/g-C3N4壳核复合光催化剂十二面体和四面体形貌Ag3PO4/g-C3N4复合光催化剂的制备方法、光催化性能、影响因素和与有关的应用研究，得出光催化性能的提高，主要是在于改善可见光的吸收范围，增加比表面积，提高对可见光的吸收能力，使带隙更窄，电荷分离转移速率更快，降低光生电子-空穴对的复合和光腐蚀可能性。相信在不久的将来，Ag3PO4/g-C3N4复合光催化剂存在的问题都能够得到解决，成为工业中大规模生产的优良材料。