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AgBr
AgBr/TiO2异质结型复合可见光催化剂的制备及其光催化活性
学生姓名:
许龙飞班级:
080233
指导老师:
许秋华
摘要:
以钛酸四丁酯、KBr、AgNO3为前体,合成了具有异质结结构的纳米AgBr/TiO2复合可见光催化剂.含光敏剂AgBr的复合及单组份催化剂由于具有对可见光的良好吸收性能而具有较高的光催化活性.对于AgBr/TiO2光催化剂,随mAgNO3/mTiO2比的增加,光催化活性先增强后减弱,当mAgNO3/mTiO2=3.35时光催化活性最高,分析结果表明,分散均匀且形成了紧密接触的AgBr/TiO2异质结微结构,在紫外可见区(250~800nm)都具有最强的光吸收.
本文作者采用对可见光具有很高感光度的AgBr来改性Ti02,以钛酸四丁酯为前驱体,采用双反应步骤合成了具有异质结结构的纳米AgBr/TiO2复合可见光催化剂,此外还研究了AgBr含量对AgBr/TiO2光催化活性的影响.
关键词:
可见光催化剂;溴化银;二氧化钛;异质结;亚甲基蓝
指导老师签名:
PreparationandPhotocatalyticActivityofAgBr/TiO2
HeterojunctionComplexCatalystunderVisibleLigh
Studentname:
xulongfeiClass:
080233
Supervisor:
xuqiuhua
Abstract:
NanosizedvisiblelightcomplexpbotocatalystofAgBr/TiO2withheterojunctionstructurewassynthesizedusingTi(OC4H9)4,KBrandAgNO3asprecursors.Thecomplexandmono—componentphotocatalystswithphotosensitizerAgBrhavehigheractivitybecauseofthestrongabsorptioninvisiblelightregion.ThephotocatalyticactivitiesofAgBr/TiO2increasefirstandthendecreasewithincreasingmassratioofmAgBr/mTiO2,inwhichthemassratioof3.35hasthehighestphotocatalyticactivity.AnalysisrevealedthattformedintimatecontactheterojunctionmicrostructureandhasthestrongestabsorptioninUV—Vislightregionof250~800nm.
TheauthorusesahighsensitivitytovisiblelighttomodifiedTiO2byAgBr,AstheprecursortoTi(OC4H9)4,Dualreactionstepsynthesisofnano-structurewithaheterojunctioncompositeofvisiblelightcatalystAgBr/TiO2,AlsostudiedAgBrcontentonthephotocatalyticactivityAgBr/TiO2
Keywords:
visiblephotocatalyst;AgBr;TiO2;heterojunction;methyleneblue
SignatureofSupervisor:
1引言
近年来,光催化技术在环境污染物降解中的研究和应用已受到人们的广泛关注.目前用于降解环境污染物的光催化剂有多种,如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2、Fe2O3等.其中TiO2因具有催化活性高、氧化能力强、稳定性好、降解速度快、成本低、无二次污染等优点而成为最受重视的一类光剂[1、2].但由于TiO2的带隙较宽(Eg=3.2eV),只能被紫外光激发(λ<387nm),而太阳光中紫外光仅占太阳光总能量的3~4%,极大地限制了其研究和应用[3、4].若采用人工紫外光源,则需要昂贵的设备,因而改善TiO2光催化剂的可见光响应成为目前光催化研究领域的热点.
1.1选题的依据和意义
21世纪人类面临的最大课题是能源和环境问题,利用太阳能来解决全球性的能源和环境问题越来越受到人们的重视,各种技术手段应运而生。
最近,我们成功地利用可见光响应的半导体光催化材料来分解水和降解有机污染物,实验中还发现如果光催化材料具有合适的能带结构,其光催化的效果就越显著。
光催化可以将低密度的太阳光能转化为高密度的化学能、电能,同时可以直接利用低密度的太阳光降解和矿化水和空气中的各种污染物,所以光催化在环境净化和新能源开发方面具有巨大的潜力。
利用光催化可以实现通过热反应得不到的化学反应,通过光强、光波长可控制反应速度和选择性;这一方法可在室温下充分利用太阳光,具有低成本、无污染的优点,对于从根本上解决环境污染和能源短缺问题具有不可估量的意义。
AgBr作为一种重要的无机光敏剂,在可见光区具有很高的感光度[5],将其与TiO2复合,可以使TiO2具有可见光催化活性.Zang等人[6]合成了AgBr/TiO2光催化剂,并研究了AgBr的含量和光照强度对其光催化活性的影响.Lan等人[7]制备出的AgBr/TiO2复合型光催化剂在紫外和可见光区均表现出较好的杀菌活性。
含光敏剂AgBr的复合及单组份催化剂由于具有对可见光的良好吸收性能而具有较高的光催化活性.
1.2国内外光催化剂的发展趋势
21世纪面临的的最大问题是环境和能源问题,利用太阳能来解决全球性的资源和环境问题越来越受到人们的关注,各种技术手段应运而生,我国实施可持续发展战略首先就要解决环境污染和能源短缺,研究和开发能替代化石燃料的“清洁”能源已成为世界各国政府可持续发展能源的战略决策,可再生能源被认为是“战略能源”美国总统布什2003年2月6日提出了“氢经济”计划,宣布美国在未来五年将投入17亿美元。
在能源领域集中其主要力量进行可再生能源的研究。
西方的许多发达的工业国家,如德国、法国、以色列也纷纷投入巨资加入“能源战略”的研究行列。
1972年,Fujishima和Honda发现在紫外光照射下二氧化钛分解水,以此为契机,国际上开始了光催化研究。
这一方法在原理上可实现以下三方面的功能(如图1所示):
(1)可以利用光激发产生的空穴降解和矿化有害污染物;
(2)可以利用光激发产生的电子还原水产生氢气或还原分解污染物;(3)可以利用光激发产生的电子和空穴实现光电池发电。
到目前为止,绝大多数光催化研究工作是围绕二氧化钛(TiO2)等紫外光响应光催化材料而展开的。
它们只在紫外光照射下有活性,而紫外光区域的能量只占可见光的4%,因此在光催化可见光转化效率方面受到了基本的限制,因而难以大规模实用化。
图1光催化的应用
Fig1Variousapplicationsofphotocatalysis
2001年,作者们在世界上首次成功地实现了利用可见光将可见光转化为化学能(Nature,414pp625,2001)。
该工作突破了传统的、只能在紫外光下具有活性的TiO2光催化材料,发展了一种全新的、具有可见光活性的新型氧化物半导体(In1-xNixTaO4),如图2所示。
这种新型的可见光响应光催化材料为实现可见光高效转化提供了一种新的思想和途径,因此该项成果在国际上引起广泛关注。
在关注基本概念的提出、基本模型和基本理论的建立的同时,进行具有重大应用前景和巨大产业化前景的新材料、新系统原型的研制,发展光电化学分解有害物及水的系统,发展新型光催化剂降解有害化学物质的分解和净化环境。
世界著名的光化学家、美国加州理工大学Lewis教授对此成果评价道“ZouetaldescribeastepalongonewaytowardsthisHolyGrailofinorganicphotochemistry”[9]。
此项成果发表的同一天,Science也以《水+太阳+新催化剂=新能源》[10]为题发表了评论,称此成果是一项了不起的突破。
图2可见光响应型光催化
Fig2Visible-light-drivenphotocatalysis
此后,在这种新的光催化材料设计思想的指导下,作者们成功地开发出一系列具有可见光响应的、用于污染降解光催化材料。
例如AVO4(A=In,Ga,稀土类元素)、(In2O3)m(BaO)n、AgInW2O8,MN1/3Nb2/3O3(M=Ca,Sr,andBa;N=Ni,Co,In,Cr)等在更宽的可见光区域(至650nm)具有光催化活性,可以有效地降解水和空气中的甲醛、乙醛、亚甲基蓝和H2S等有害物(图3给出了可见光光催化在环境净化方面的应用实例),并初步实现了室外实际太阳光下光催化分解水产生氢,在J.Phys.Chem.B[11]等杂志上发表一系列文章,并已申请三项中国发明专利、六项日本专利和一项美国专利。
加强可见光光催化及应用的研究,以集中我国在光催化研究领域的优势队伍,汇聚优秀的物理、化学、材料和能源环境方面的人才,在国家层次上开展战略研究,这对于我们发展可见光光催化材料方面的自主技术,保持我国在某些方面的领先地位,对应这一领域激烈的国际竞争是十分必要的。
1.3研究目标和展望
围绕研究可见光光催化材料构建、反应机理及应用基础等关键科学问题,可达到利用能带理论和分子轨道理论[12],从设计调控带隙宽度和红移匹配入手探索吸收波长更长、范围更宽(400~800nm)的新型复合光催化材料;研究太阳能光催化材料的表面、界面微结构及纳米量子尺寸效应对太阳能转化效率的影响,将目前世界最高水平的光催化量子效率和太阳能转化效率提高。
在深入研究太阳能分解水和降解有害物机理的基础上,利用所发展的可见光催化材料,实现利用太阳能高效分解饮用水中致癌物质、室内空气中甲醛乙醛以及高效分解水制氢的技术突破。
开展可见光响应光催化材料及系统的研究,选择若干个我们有积累、有优势的方向,以及在国际上前沿或基本空白的方向,重点突破,力争形成由我国领先的研究方向,奠定我国在该领域的科学与技术基础,在这一关系国计民生的领域占有应有的一席之地,为解决我国的环境和能源问题、为国家的可持续发展提供必要的理论和技术基础。
2实验部分
2.1实验主要试剂及仪器
2.11实验主要试剂
聚乙烯吡咯烷酮(k-30)进分国药集团化学试剂有限公司
KBr溶液化学纯广州化学试剂厂
AgNO3溶液分析纯上海试剂一厂
钛酸四丁酯化学纯上海科丰化学试剂有限公司
乙酰丙酮分析纯汕头市西陇化工厂有限公司
无水乙醇分析纯上海振兴化工一厂
亚甲基蓝生物染色剂上海三爱思试剂有限公司
2.12实验主要仪器
仪器名称生产厂家
WCJ-802型控温磁力搅拌器江苏姜堰市分析仪器厂
UV-1100型紫外可见光光度计上海美谱达仪器有限公司
循环水式多用真空泵巩义市予华仪器有限公司JDZ4-WS台式低速自动平衡离心机长沙湘智离心机仪器有限公司
电子天平梅特勒-托利多仪器有限公司
电热恒温鼓风干燥箱上海精宏实验设备有限公司
箱式电阻炉上海锦屏仪器仪表有限公司
其它:
烧杯、玻璃棒、量筒、滴管、磁力搅拌器、铁架台、三口瓶
2.2合成路线
AgBr溶胶的制备
KBr(aq)+AgNO3(aq)+聚乙烯吡咯烷酮(s)→AgBr溶胶
TiO2溶胶前体的制备
Ti(0C4H9)4+4H20→Ti(0H)4+4C4H90H
Ti(0H)4+Ti(0C4H9)4→2Ti02+4C4H90H
Ti(0H)4+Ti(0H)4→2Ti02+4H20
AgBr/TiO2复合光催化剂的制备
AgBr溶胶+TiO2溶胶前体→AgBr/TiO2复合光催化剂
2.3实验步骤
2.3.1AgBr/TiO2的合成
将1.0192g聚乙烯吡咯烷酮加入200mL0.03mol/L的KBr溶液中,磁力搅拌溶解
将相同摩尔浓度的200mLAgNO3溶液。
在搅拌状态下滴加到上述溶液中,得淡黄色AgBr溶胶.
将钛酸四丁酯和乙酰丙酮(抑制剂)以5:
2(体积比)混合[8],再滴加到适量无水乙醇中搅拌30min,使其充分混合形成螯合物,得亮黄色TiO2溶胶前体.
将制备好的TiO2溶胶前体在磁力搅拌下滴加到AgBr溶胶中
回流15h,使TiO2溶胶前体缓慢水解并沉积到AgBr表面
离心分离
将得到的白色沉淀用去离子水洗2~3次,再用无水乙醇洗2次,70。
C干燥
再将干燥后的白色粉末在500。
C下焙烧3h,即得AgBr/TiO2复合光催化剂.
调节二者质量比得到系列AgBr/TiO2光催化剂以得到最佳合适配比
2.3.2光催化剂活性的评价
称取1mg的亚甲基蓝于100ml去离子水中
称取制备好的光催化剂0.15g于配置好的亚甲基蓝溶液
暗反应30min,以使亚甲基蓝在催化剂表面达到吸附平衡
采用氙灯(500w)对暗反应后的溶液进行降解
每隔10min取样一次,离心分离,上层清液用UV-1100型紫外可见光光度计(上海美谱达仪器有限公司)测定吸光度
绘制吸光度一时问曲线,并计算c/c。
,用以表征催化剂的光催化活性.
2.4结果与讨论
2.4.1实验现象
第一组:
AgBr/TiO2的质量配比为2
试剂用量:
KBr溶液(200ml)、AgNO3溶液(200ml)、钛酸四丁酯(2.4ml)、乙酰丙酮(1ml)
在该组中最终未得到很好的白色沉淀,分析原因可能出在在将AgNO3溶液滴加到聚乙烯吡咯烷酮和KBr混合溶液时,滴加过快,为搅拌均匀,使反应生成物中含有Ag20等,经灼烧得紫黑色固体。
用亚甲基蓝对样品进行检测,实验效果比较显著,再在每隔十分钟检查亚甲基蓝颜色时发现溶液颜色逐渐变淡,但由于氙灯线路的烧断,使得实验被迫中止,未能通过多次实验数据很好的总结规律。
第二组:
AgBr/TiO2的质量配比为3.35
试剂用量:
KBr溶液(200ml)、AgNO3溶液(200ml)、钛酸四丁酯(1.4ml)、乙酰丙酮(0.56ml)
在总结前一组实验的基础上,改组实验进行顺利,实验现象都符合预期效果,经500。
C灼烧,最终得淡绿色固体。
用亚甲基蓝对样品进行检测,实验效果明显,亚甲基蓝溶液颜色由深蓝色逐渐变成淡蓝色,溶液的吸光度逐渐变低,说明光催化效果越来越明显。
第三组:
AgBr/TiO2的质量配比为3.35
实验步骤与方法与第二组相同,为了进一步考虑到AgNO3溶液的见光分解性质,此组实验在溶液进行反应阶段采用遮光处理,以达到更好效果。
2.4.2实验数据记录及处理
2.4.3误差分析
1.聚乙烯吡咯烷酮很容易吸收空气中的水分,在做称量时一定要注意尽量用较少的时间,以避免因吸收的水分影响结果。
2.在做回流操作时,由于不能持续回流15小时,会影响到回流效果,同时由于回流装置选用磁力搅拌器,使得溶液受热不均匀,会影响到AgBr和TiO2的复合效果。
3.AgBr溶液为见光易分解溶液,在配置时没有充分考虑这一性质,这对实验的准确性带来一定的影响。
4.经查资料得知:
固体颗粒的大小与被测液体的温度都直接影响液体的吸光度,而本次试验的待测溶液,在经氙灯照射后温度很高,而没有经冷却就直接进行检测,这对实验的结果带来很大影响。
5.在测液体吸光度之前一定要对被测溶液进行离心处理,因为溶液中会参杂反应生成的其它固体颗粒,如Ag20等,这会直接影响吸光度的准确性。
3结论
以AgBr为无机光敏剂制备的复合AgBr/Ti02光催化剂其活性明显高Ti02.AgBr/TiO2的质量配比为3.35时,AgBr/Ti02复合光催化剂形成均匀的半导体异质结复合结构,表现出明显的可见光吸收增强现象,光催化活性最高.AgBr/TiO2光催化剂在可见光下具有远优于其它组分的光催化活性,这是由于AgBr晶粒与TiO2晶粒界面紧密接触,形成了半导体异质结,当可见光照射时,AgBr导带激发的电子转移到TiO2上,使得AgBr表面剩余多余的负电子,而TiO2上有带正电的空穴,在两者界面上形成光生电势差,产生内电场,使得光生电子和空穴有效的分离,克服了单一半导体中光生电子一空穴对复合的缺点[13,14]
参考文献
[1].黄婉霞,孙作风,吴建春,等.纳米二氧化钛光催化作用降解甲醛的研究[J].稀有金属,2005,29
(1):
34—38.
[2].童海霞,陈启元,胡慧萍,等.Ti02光催化活性向可见光区拓展的研究进展[J].功能材料,2005,36(9):
1307—1315
[3].高濂,郑珊,张青红.纳米氧化钛光催化材料及应用[M],北京:
化学工业出版社,2003:
31—35
[4].张峰,李庆霖,杨建军.Ti02光催化剂的可见光敏化研究[J].催化学报,1999,2O(3):
329—332.
[5].WangP,HuangBB,ZhangXY,eta1.Highlyefficientvisible-lightplasmonicphotocatalysAg@AgBr[J].ChemEurJ,2009,15(8):
1821—1824.
[6].ZangYJ,RaminF.PhotocatalyticactivityofAgBr/Ti02inwaterundersimulatedsunlightirradiation[J].ApplCatalB,2008,79(4):
334—340.
[7].LanYQ,HuC.EfficientdestructionofpathogenicbacteriawithAgBr/Ti02undervisiblelightirradiation[J].ApplCatalB,2007,73(3):
354—360.
[8].SuoHI,NopphawanP,StevinS,eta1.Simpleroutetomonodispersedsilicatitaniacore-shellphotocatalysts[J].Langmuir,2008,24(12):
6226—6231
[9].YinJ,ZouZ,YeJ.[J].Chem.Phys.Letters,2003,378:
24.
[10].WangD,ZouZ,YeJ.[J].Chem.Phys.Letters,2003,373:
191.
[11].YinJ,ZouZ,YeJ,etal.[J].Chem.B.,2003,107:
4936.
[12].TangJ,ZouZ,YeJ.[J].Chem.Phys.Lett,2003,382:
175.
[13].VogelsangH,StolzH,OstenWV.Exciton—phononcouplinginindirectgapAgBrnanocrystals[J~.JLumin,1996,70(1—6):
414—420.
[14].YongJK,GaoBF,SongYH,eta1.HeterojunctionofFeTiO3nanodiscandTiO2nanoparticleforanovelvisiblelightphotocataIyst[J].JPhys(;hemC,2009,113(44):
19179—19184.
致谢
本次创新实践实验是在许秋华老师的悉心指导下完成的,实验的成功离不开老师的帮助,在科研上,许老师是一位严谨、认真的导师,对待实验一丝不苟,这在让我们确定每种药品的规格与厂家方面充分得以体现。
在实验的过程中许老师也不时的提醒我们要知道每一步的目的,这也让我们有更明确的目的性也让我们少走了不少弯路。
同时也要感谢本小组其它成员,是何贵锋、熊小龙同学的密切合作和勤奋、认真的态度使实验进行顺畅。
最后还要感谢那些为我们提供设备的老师,还有药品库的工作人员,谢谢你们的帮助。
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