活性碳負載磷酸銀光催化劑的制備及其光催化性能

1、本科畢業(yè)論文本科畢業(yè)論文 題目：活性碳負載磷酸銀的制備及其光催化性能 學院： 化學與化工學院 班級： 09 級化學 6 班 姓名： 高 學 慶 指導教師： 王 俊 麗 職稱： 講 師 完成日期： 2013 年 06 月 05 日 活性碳負載磷酸銀光催化劑的制備及其光催化性能 摘要：本法采用沉積轉(zhuǎn)變法制備活性碳負載磷酸銀的光催化劑。通過控制生成 ag3po4的質(zhì)量和加入活性碳的質(zhì)量，可制得磷酸銀的比例依次為 10%50%的 活性碳負載磷酸銀光催化劑。之后以甲基橙的光催化降解為模型，評價了不同 含量磷酸銀的活性碳負載磷酸銀光催化劑的光催化性能。結(jié)果表明，當光催化 劑活性碳負載磷酸銀的用量為 1.1

2、 g/l 時，經(jīng) 60 min 的模擬可見光光催化反應， 30 mg/l 的甲基橙的脫色率可達 83%。其中 ag3po4含量為 50%的活性碳負載磷 酸銀光催化劑的光催化效果最好。 關鍵詞：活性碳；磷酸銀；光催化；可見光 目 錄 1 前言.1 2 實驗部分.2 2.1 試劑與儀器.2 2.2 催化劑的制備.2 2.2.1 納米磷酸銀光催化劑的制備.2 2.2.2 活性碳負載磷酸銀光催化劑的制備.2 2.3 催化劑的光催化降解實驗.3 3 結(jié)果與討論.3 3.1 磷酸銀的制備原理.3 3.2 活性碳負載磷酸銀光催化劑的光催化活性.4 4 結(jié)論.5 參考文獻：.5 致謝.7 1 1 前言 作為治

3、理環(huán)境的一種新興方法，光催化技術受到了廣泛關注。光催化技術 是在 20 世紀 70 年代發(fā)展起來的基礎納米技術，在我國我們常常用光觸媒這個 通俗詞來代替光催化劑。光催化反應1 ，顧名思義，就是在光的照射下，材料 表面通過發(fā)生電子的激發(fā)和轉(zhuǎn)移，光子所攜帶的能量轉(zhuǎn)化成為電子所攜帶的化 學能，這樣就形成了具有強氧化或者強還原能力的各種活性基團，這些活性基 團能將吸附在材料表面上的有機物質(zhì)分解破壞，轉(zhuǎn)變成二氧化碳和水，從而就 達到了清潔的目的；這些活性基團還能殺滅或破壞材料表面的細菌和病毒，從 而達到清除污漬、抑菌、除臭、抗菌的功能。從 fujishima 和 honda2發(fā)現(xiàn)在紫 外光照射的條件下，

4、tio2作為光陽極時，可分解 h2o 為 h2和 o2之后， tio2 的納米半導體光催化氧化技術在凈化空氣、治理污染等領域得到了廣泛的運用 3-5。然而，由于通常用的寬帶隙光催化材料 tio2的量子化效率低（約 4%）6 且光催化反應只能在紫外光條件下才可進行7，這些都極大的限制了它對太陽 光的利用。所以，探索和開發(fā)利用太陽光的新型高效半導體光催化劑，成了當 今研究的熱點問題之一。 目前已發(fā)現(xiàn)很多能吸收可見光的光催化劑，比如氧化亞銅(cu2o)8,9，磷酸 銀( ag3po4)10-13等。其中，磷酸銀是一種重要的半導體材料，其優(yōu)異的可見光 光催化活性已經(jīng)被 yi 課題組14,15研究發(fā)現(xiàn)；

5、umezawa naoto 等16則應用密度泛 函理論計算分析得出了磷酸銀有較好可見光光催化活性的原因。磷酸銀光催化 劑非常具有最應用前景，但因為銀的成本比較高，而且還存在降解活性較慢的 局限。近幾年來，在 ag3po4作光催化劑的領域進行了廣泛的研究，其中有半導 體光催化劑的負載、離子摻雜等方案。ye j h 等17用不同的方法制備出具有不 同晶型的納米磷酸銀，并在模擬太陽光氙燈照射的情況下，用磷酸銀光催化劑 對水中有機污染物降解進行了研究。結(jié)果表明，用醋酸銀（ch3cooag）和磷 酸氫二鈉（na2hpo4）為原料，可直接制得的具有菱方十二面體晶型的磷酸銀， 這種磷酸銀的光催化活性最好；用

6、硝酸銀（agno3） 、氨水（nh3h2o）和磷酸 氫二鈉（na2hpo4） ，可合成的立方磷酸銀，這種磷酸銀的光催化性能次之。王 韻芳等18 則用沉淀轉(zhuǎn)換法19制備出了磷酸銀，并在模擬太陽光的氙燈照射下， 考察了其對水中有機污染物的光催化降解性能，同時采用 xrd、uv-vis 及 xps 對其進行了表征，對其光催化機理進行了較詳細的分析，這些為磷酸銀處 理水中有機污染物的實際應用提供了依據(jù)。但是，實踐發(fā)現(xiàn)純的磷酸銀很難回 2 收再利用，并且處理濃度高的有機污染物時效果不太明顯。所以，提高磷酸銀 處理濃度高的有機污染物的光催化效能是目前研究的主要方向。 本文通過在原料中加入活性碳20-22，

7、其具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)、非常發(fā)達的 孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積，制備出活性碳負載磷酸銀的新型光催化劑，以增 強磷酸銀的光催化活性。并通過在模擬太陽光氙燈的照射下，探究了其對高濃 度有機物催化脫色效果。 2 實驗部分 2.1 試劑與儀器 試劑： 硝酸銀（天津市風船化學試劑科技有限公司） 碳酸氫鈉（中國醫(yī)藥公司北京采購供應站） 磷酸氫二鈉（北京紅星化工廠） 活性碳（天津市化學試劑批發(fā)公司） 甲基橙（天津市化學試劑一廠） 以上試劑均為分析純。 儀器： jj 增力電動攪拌器（菏澤市石油化工學校設備廠） kq5200de 型數(shù)控超聲波清洗器（江蘇省昆山超聲波儀器有限公司） 80-2 離心機（菏澤市石油化工儀

8、器設備廠） gzx-9076 mbe 電熱數(shù)顯恒溫鼓風干燥箱（上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設 備廠） fa1104 電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司） 722e 型分光光度計（上海光譜儀器有限公司） 短弧氙燈/汞燈穩(wěn)流電源（模擬可見光燈） （北京暢拓科技有限公司） 分析天平（上海天平儀器廠） 2.2 催化劑的制備 2.2.1 納米磷酸銀光催化劑的制備 向 100 ml 0.1 mol/l 的硝酸銀（agno3）溶液中緩慢滴加 60 ml 0.1 mol/l 的碳酸氫鈉（nahco3）溶液，得到淡黃色渾濁液碳酸銀（ag2co3） ，滴加完畢 3 后，于室溫下繼續(xù)攪拌 2.5 h；然后，再將 3

9、3 ml 0.1 mol/l 磷酸氫二鈉 （na2hpo4）緩慢滴入上述渾濁液中，既得到金黃色的磷酸銀（ag3po4）沉淀， 滴加完畢后，于室溫下繼續(xù)攪拌 5 h。所得磷酸銀沉淀用蒸餾水洗滌至中性。最 后，再在 80 下干燥 24 h，即得磷酸銀（ag3po4） ）光催化劑。 2.2.2 活性碳負載磷酸銀光催化劑的制備 分別在 108 ml、86 ml、65 ml、43 ml、22 ml ,0.1 mol/l 的硝酸銀 （agno3）溶液中加入 1.5 g、1.8 g、2.1 g、2.4 g、2.7 g 活性碳并于室溫下攪拌 1 h，然后再向上述溶液分別緩慢加入 60 ml、50 ml、40

10、ml、25 ml、15 ml, 0.1 mol/l 的碳酸氫鈉（nahco3）溶液，滴加完畢后繼續(xù)攪拌 3.5 h；最后，分 別加入 36 ml、29 ml、23 ml、15 ml、8 ml ,0.1 mol/l 磷酸氫二鈉 （na2hpo4）溶液，滴加完畢后，繼續(xù)攪拌 6 h。所得樣品用蒸餾水洗滌并在 80 下干燥 24 h，便得 ag3po4比例分別為 50%，40%，30%，20%，10%的活性 碳負載磷酸銀的光催化劑。 2.3 催化劑的光催化降解實驗 在 500 w 的可見光（高壓氙燈）照射下，每次實驗將 100 mg 的催化劑樣 品加到 90 ml , 30 mg/l 的甲基橙溶液中

11、,反應在包有鋁箔紙的燒杯中進行,以防 止光的泄漏。在光催化過程中，每隔 10 min 取樣一次，并立即離心以除去光催 化劑，取上層清液，有機染料甲基橙的濃度變化用分光光度法測定。用 722e 型分光光度計在甲基橙的最大吸收波長 max = 464 nm 處測定其吸光度值，按 照以下的公式計算脫色率,并以甲基橙的降解率來表征活性碳負載磷酸銀光催化 劑的光催化活性。 脫色率%100%)( 0 0 a aa d 式中 d%為脫色率，a0、a 分別代表染料降解反應前后的吸光度值 4 3 結(jié)果與討論 3.1 磷酸銀的制備原理 沉淀轉(zhuǎn)化法制備硝酸銀的反應方程式如下： 2 agno3 + nahco3 ag

12、2co3+ nano3 + hno3 3ag2co3 + 2na2hpo4 2ag3po4 + 2na2co3 + co2+ h2o 3.2 活性碳負載磷酸銀光催化劑的光催化活性 下圖為磷酸銀含量不同的活性碳負載磷酸銀光催化劑在不同時間下在可見 光（高壓氙燈）照射下對 30 mg/l 甲基橙的光催化降解情況。 5 圖.活性碳負載磷酸銀的可見光光催化活性 fig.the visible light photocatalytic activity of activated carbon loaded silver phosphate. 從圖可以看出，含磷酸銀比例不同的活性碳負載磷酸銀光催化劑要比純

13、的 磷酸銀光催化劑的催化效果要好。其中，4 號光催化劑的的活性碳負載磷酸銀 的光催化效果最好，即磷酸銀含量為 50%。 4 結(jié)論 采用沉積轉(zhuǎn)換法制備的活性碳負載磷酸銀的新型可見光催化劑，以中性條 件下水中污染有機物的降解考察了活性碳負載磷酸銀的光催化性能，并對其進 行了物理、化學特性表征和活性物種測試，得出以下結(jié)論： （1）本法采用制備簡單的沉積轉(zhuǎn)換法制備出活性碳負載磷酸銀光催化劑。 其中，由 108 ml,0.1 mol/l 的硝酸銀溶液，1.5 g 活性碳，60 ml, 0.1 mol/l 碳酸 氫鈉和 36 ml,0.1mol/l 磷酸氫二鈉在常溫下制備得到的磷酸銀含量為 50%活性 碳

14、負載磷酸銀光催化劑的光催化效果最好。 （2）在模擬太陽光照射下，1.1 g/l 活性碳負載磷酸銀光催化劑，經(jīng) 60 min 可使初始濃度為 30 mg/l 的甲基橙的降解率達 80%左右，比同等條件下純 磷酸銀要的催化效果要好。 參考文獻： 1 黃壘, 彭峰. 可見光光催化機理研究進展j. 工業(yè)催化學報, 2007, 15(3): 5-11. 2 fujishimaa，hondak. electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode, nature, 1972, 238(5358):37-38. 3 趙文寬,覃榆森

15、,方佑齡,等.水面石油污染物的光催化降解漂浮負載型 tio2-光催化劑的制 備j.催化學報, 1999, 20(3): 368-372. 4 宋綿新，周天亮，王峰 tio2 光催化劑改性摻雜與負載技術研究進展j材料導報， 2006,20(8):16-20. 5 董振海,胥維昌.光催化降解染料廢水的現(xiàn)狀及展望j.染料與染色, 2003, 40(3): 175-176, 178. 6 michael r h, scot t m, choi w, et al. j. chem. rev., 1995, 95:69-96. 7 葛飛，戴友芝，羅衛(wèi)玲t(yī)io2 光催化氧化技術在環(huán)保領域的研究新進展j化工進

16、展， 2001(12):20-22. 8 宋繼梅, 張小霞, 等. 立方狀和球狀氧化亞銅的制備及光催化性能j. 應用化學, 2010, 27(11): 1328-1333. 9 趙彬, 謝斌. 氧化亞銅形貌及其顆粒度對光催化性能的影響j. 四川理工學院學報(自然 科學版), 2012, 25(1): 35-37. 6 10 韓秀秀, 何文, 等. 磷酸銀納米粒子的合成及機理分析j. 山東陶瓷, 2010, 33(1):26-28. 11 謝東.溶液酸度與 ag 3 po4 沉淀生成及溶解關系的討論j. 大學化學, 2011, 26(2):73-74. 12 段麗萍.磷酸體系的平衡計算及磷酸銀生

17、成條件的探索j. 陰山學刊, 2007, 21(2):61-63. 13 王巖，王長平，林倫磷酸鹽抗菌粉體的研究及應用j硅酸鹽通報，2004(3)：91- 93. 14 yi z g, ye j h, kikugawa n, et al. an or thophosphate semiconductor with photo oxidation properties under visible-light irradiationj.nature mater,2010,9:559-564. 15 yi z g, withers r l, liu y.a two-step approach tow

18、ards solar driven waters plittingj. electro chem commun,2011,13:28-30. 16 umezawa n, shuxin o, ye j h, theoretical study of high photocatalytic performance of ag3po4 j. phys. rec. b, 2011,83: 035202-1-8. 17 ye j h, et al. facet effect of single-crystalline ag3po4 sub-microcrystals on photocatalytic

19、properties.j.am.chem.soc.2011.133.6490-6492. 18 王韻芳, 樊彩梅.ag3po4 的可見光光催化性能及機理分析j. 無機化學學報.2012,28(2): 347-351. 19 馬培燕，吳燕一種高效可見光催化劑磷酸銀及其制備方法：中國，專利號 p201010516084.6,2011-01-12. 20 丁海燕,王玉萍,彭盤英.負載二氧化鈦催化劑的制備與性能j.南京師大學報(自然科學 版),2004,27(1):63-67. 21 matos j.laine j,herrmannm j.effectof the type of activated

20、carbons on the photon catalytic degradation of aqueous organic pollutants by uv-irradiated titanicj.journal of catalysis, 2001, 200(1): 10-20. 22 huang c p, fu p l. treatment of arsenic(v)-containing water by the activated carbon process j. j. water pollution control fed.1984, 56(3): 233241. prepara

21、tion and photocatalytic properties of activated carbon loading silver phosphate catalyst abstract: the method using optical catalyst preparation activated carbon loading silver phosphate deposition conversion method. by controlling the production and quality of ag3po4 with activated carbon quality,

22、can get the silver phosphate ratios were activated carbon 10%50% supported silver catalyst phosphoric acid. the photocatalytic degradation of methyl orange as a model, the photocatalytic performance evaluation of activated carbon with different content of silver phosphate load phosphate silver catalyst. the results show that, when the lig