CdS-K2La2Ti3-xNbxO10復合物的制備及其光催化性能研究*

崔文權，安偉佳，劉利，齊躍麗，2，梁英華，張婷

（1.河北聯合大學化學工程學院，河北 唐山 063009；2.河北匯正工程技術有限公司；3.河北省無機非金屬材料重點實驗室）

催化材料

CdS-K2La2Ti3-xNbxO10復合物的制備及其光催化性能研究*

崔文權1，3，安偉佳1，劉利1，齊躍麗1，2，梁英華1，張婷1

（1.河北聯合大學化學工程學院，河北 唐山 063009；2.河北匯正工程技術有限公司；3.河北省無機非金屬材料重點實驗室）

摘 要采用硬脂酸法制備K2La2Ti3O10，通過鈮離子摻雜得到K2La2Ti3-xNbxO10，再使用微波法進行質子交換、胺柱撐/鎘離子交換，通過硫化反應制備得到CdS-K2La2Ti3-xNbxO10催化劑。運用X射線衍射（XRD）、電子掃描電鏡（SEM）和紫外-可見漫反射光譜儀（UV-Vis）等手段對催化劑進行表征，并且考察了其在可見光下對羅丹明B的光催化降解活性。結果表明：鈮離子摻雜和硫化鎘插層拓展了催化劑的可見光吸收范圍，抑制了光生電子與空穴的復合效率，提高了光催化活性，使其催化活性明顯高于K2La2Ti3O10催化劑和摻雜的K2La2Ti3-xNbxO10催化劑。

關鍵詞：光催化；羅丹明B；鑭鈦酸鉀；摻雜；插層

光催化劑具有高效、環(huán)保等特點，因此在光解水制氫、降解污染物等方面得到越來越多的關注［1-5］。層狀化合物由于特殊的活性中心，在光催化方面得到廣泛研究［6-7］。其中K2La2Ti3O10的禁帶寬度在3.50 eV左右，只能被紫外光激發(fā)，而對于可見光卻沒有響應［8-9］，限制了在實際中的應用價值。為了進一步提高對可見光的利用率，可采取離子摻雜和窄禁帶隙半導體插層復合等方法。已有報道采用適宜的金屬離子摻雜K2La2Ti3O10［10-11］，可在半導體之間形成新的活性中心，拓展對可見光的響應范圍，有效提高催化劑的光催化活性。也可在K2La2Ti3O10的層板之間插入客體材料（如Fe2O3［12］等），窄帶隙客體的插入，可大大拓展K2La2Ti3O10可見光響應范圍。同時將離子摻雜和插層復合兩種改性方法相結合，可以發(fā)揮協(xié)同作用，共同促進光生載流子分離。筆者采用硬脂酸法合成鈮（Nb）摻雜的K2La2Ti3-xNbxO10，通過微波輔助法成功制備了硫化鎘（CdS）插層的復合光催化劑K2La2Ti3-xNbxO10，對其結構進行了表征，并考察了可見光下降解羅丹明B的活性。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

試劑：五氧化二鈮、硝酸鑭，國藥集團化學試劑有限公司；硬脂酸，天津市申泰化學試劑有限公司；酞酸丁酯、正丁胺，天津市光復精細化工研究所；氫氧化鉀，天津市永大化學試劑有限公司；鹽酸，天津市翔宇化工工貿有限公司；乙酸鎘，天津市福晨化學試劑化工廠；無水亞硫酸鈉，天津市文達稀貴試劑化工廠；硫化鈉，天津市大茂化學試劑廠；硫酸、無水乙醇，唐山市路北區(qū)化工廠。

儀器：80-1型離心機、JM-X14B型箱式電爐、UV1901型紫外-可見漫反射光譜儀、BL-GHX-Ⅱ型光化學反應儀、GGZ-JF型500 W直管形可見光高壓氙燈、XH-MC-1型實驗室微波合成反應儀、S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 K2La2Ti3O10的制備

稱取約60 g硬脂酸置于燒杯中，在集熱式恒溫磁力攪拌油浴中，于130℃條件下加熱至熔融狀態(tài)。用適量去離子水溶解10 g硝酸鑭，加入硬脂酸中，攪拌30 min后加入5 g KOH和29 g鈦酸丁酯，繼續(xù)恒溫攪拌至溶液呈半透明。冷卻得到白色固體狀物質，燃燒除去有機物后即可得到K2La2Ti3O10。

1.2.2 K2La2Ti3-xNbxO10的制備

稱取0.283 1 g Nb2O5固體，加入研磨好的K2La2Ti3O10中，再次研磨至混合均勻。將研磨好的混合物放入箱式爐中1 000℃下焙燒2 h，冷卻，在經研磨得到白色細膩的粉末狀K2La2Ti3-xNbxO10。

1.2.3 CdS-K2La2Ti3-xNbxO10復合物的制備

1）酸交換。將制備好的K2La2Ti3-xNbxO10與500mL 1 mol/L的鹽酸溶液在三口燒瓶中混合，在微波反應器中于90℃下反應1 h。由于微波反應很劇烈，為防止爆沸，反應時間控制為每次微波加熱2 min后中止2 min。產物離心分離，用蒸餾水和無水乙醇洗滌至中性后，在遠紅外輻射干燥箱內60℃干燥6 h后得到白色粉末狀產物H2K2La2Ti3-xNbxO10。

2）胺柱撐。將經酸交換并干燥后的產物與質量分數為50％的正丁胺水溶液混合，在微波反應器中65℃下反應3 h。反應結束后離心分離，用蒸餾水和無水乙醇洗滌至中性，在遠紅外輻射干燥箱中60℃下干燥，得到白色粉末狀產物C4H11N-H2La2Ti3-xNbxO10。

3）鎘離子交換。將胺柱撐后的K2La2Ti3-xNbxO10和0.4 mol/L的Cd（CH3COO）2溶液于70℃水熱反應進行離子交換5 h，反應結束后將產物離心分離，充分洗滌至中性，在遠紅外輻射干燥箱中60℃下干燥，即得白色粉末狀產物Cd-K2La2Ti3-xNbxO10。

4）硫化反應。緩慢將200 mL 1 mol/L的H2SO4溶液滴加到178 mL 1 mol/L的Na2S溶液中，反應得到的H2S氣體通過裝有Cd-H2La2Ti3O10的U型玻璃管，尾氣用NaOH溶液吸收，待U型管內物質全部變?yōu)辄S色后再反應0.5 h左右，即得到CdS插層產物CdS-K2La2Ti3-xNbxO10。

1.3 結構及性能表征

采用D/MAX2500PC型X射線衍射儀（XRD）分析催化劑的物相（Cu靶，Kα輻射，加速電壓為40kV）；采用S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）表征催化劑的大小和形貌；采用TU1901型紫外-可見漫反射光譜儀（UV-Vis）表征催化劑的光吸收特性。

1.4 活性測試

光催化降解羅丹明B反應在光化學反應器中進行，采用內部光照，反應器由耐熱玻璃制成。反應體系為250 mL 10 mg/L的羅丹明B溶液。催化劑加入量為0.5 g，采用磁力攪拌以使催化劑懸浮于溶液之中。500 W氙燈垂直照射溶液，光源與樣品的間距約為10 cm。采用濾光片濾除波長在420 nm以下的光。反應器夾套中通入循環(huán)水，維持溫度為（25±2）℃。暗反應一定時間以使催化劑吸附平衡，光照2 h，每隔15 min取樣3 mL，經離心分離后，取上清液用紫外可見分光光度計測定溶液最大吸收波長554 nm處的吸光度。通過測定不同時段反應體系的吸光度進而得出降解率。羅丹明B溶液的降解率計算公式：

式中：Y為t時刻羅丹明B的降解率，％；ρ0為催化劑吸附平衡時羅丹明B溶液的質量濃度，mg/L；ρt為t時刻羅丹明B溶液的質量濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 催化劑的表征

2.1.1 催化劑XRD表征

圖1為K2La2Ti3O10、K2La2Ti3-xNbxO10和CdSK2La2Ti3-xNbxO10催化劑的XRD譜圖。

圖1 催化劑的XRD譜圖

從圖1可以看出，K2La2Ti3O10和K2La2Ti3-xNbxO10的峰形基本上沒有太大的區(qū)別，這說明少計量的離子摻雜并沒有改變K2La2Ti3O10的主體晶型結構。摻雜離子可以高度分散在K2La2Ti3O10的晶型結構中，對其特征衍射峰影響不大。由圖1還可見，CdSK2La2Ti3-xNbxO10晶面的特征峰強度比K2La2Ti3-xNbxO10的衍射峰低，說明CdS插入到層狀結構中，增大了層狀結構中的層間距。

2.1.2 UV-Vis分析

紫外-可見漫反射譜圖能夠表征催化劑對光的吸收和反射跟波長的關系，因此可用波長與能量之間的關系來得出催化劑的禁帶寬度。圖2為3種催化劑材料的紫外-可見漫反射光譜圖。

圖23 種催化劑紫外-可見漫反射光譜圖

從圖2可見，K2La2Ti3O10的光譜吸收大約在350 nm左右，只是對紫外光有較強的吸收特性，而對可見光基本沒有光響應。K2La2Ti3-xNbxO10催化劑的光譜吸收范圍明顯向可見光區(qū)拓展，對470 nm以下的光有較好的吸收。由圖2還可以看出，CdSK2La2Ti3-xNbxO10的吸收帶是由CdS和K2La2Ti3O10分別對應的，但是相對于兩者單體來說，吸收拐點分別存在藍移和紅移情況。這可能是CdS納米粒子插入到K2La2Ti3O10的層間，在插層復合過程中產生了一些缺陷位，協(xié)同量子效應會使吸收光譜發(fā)生移動。CdS-K2La2Ti3-xNbxO10復合物中進行離子摻雜以及插層改性之后對結構產生一定影響，能帶之間的耦合作用有利于對可見光的吸收，對增強光催化用有著積極的影響。

2.1.3 SEM分析

圖3為3種催化劑材料的SEM照片。從圖3可見，通過硬脂酸法合成的K2La2Ti3-xNbxO10呈小碎片狀，不及K2La2Ti3O10形貌規(guī)整。CdS-K2La2Ti3-xNbxO10催化劑形貌比較規(guī)整，結晶度高，呈片狀結構，且具有更清晰的層狀結構和更大的表面積。但與K2La2Ti3O10相比，K2La2Ti3-xNbxO10的表面較粗糙，層隙較大，還顯示出了明顯的撐開痕跡。

圖33 種催化劑的SEM照片

2.2 催化劑活性分析

K2La2Ti3O10屬于寬禁帶化合物，在可見光下對羅丹明B的降解率很低，只有6％。離子摻雜影響K2La2Ti3O10催化劑的結晶度，生成晶格缺陷，插層復合有利于光生電子和空穴的遷移，可以有效分離光生電子和空穴，拓寬催化劑的光響應范圍，在可見光下顯示出光催化活性，這兩種改性方法都有利于光催化活性的提高。

圖4 羅丹明B的降解率曲線

圖4為3種催化劑在可見光照射下的光催化活性。由圖4可見，K2La2Ti3O10與K2La2Ti3-xNbxO10對羅丹明B的降解率很低，基本不能達到降解目的，而CdS-K2La2Ti3-xNbxO10對羅丹明B的降解率可達30％以上，明顯高于另外2種催化劑。這可能是因為離子摻雜和插層復合兩種改性方法之間的協(xié)同作用，使催化劑的微結構更有利于抑制光生電子和空穴的復合，能夠促進CdS-K2La2Ti3-xNbxO10催化劑活性的提高。在可見光照射下，CdS和K2La2Ti3-xNbxO10都可以受到激發(fā)生成光生電子，在各自價帶上產生空穴。兩者的緊密接觸使得電子能在兩者的價帶與導帶之間發(fā)生遷移，由于K2La2Ti3-xNbxO10與CdS的能帶結構的差異，CdS激發(fā)的電子躍遷至導帶后繼而轉移至K2La2Ti3-xNbxO10的導帶上；同樣K2La2Ti3-xNbxO10激發(fā)的電子躍遷至導帶上，價帶上留下的空穴會在電場的作用下轉移至CdS的價帶上。這樣就實現了光生電子與空穴的分離，抑制了電子空穴的復合，對催化活性有很好的促進作用。

3 結論

實驗制備的復合催化劑CdS-K2La2Ti3-xNbxO10形貌比較規(guī)整，結晶度高，顆粒粒徑均勻，表面積大，具有更清晰的層狀結構。通過XRD和UV-Vis分析可知，鈮離子摻雜和CdS插層可以有效拓展K2La2Ti3O10對可見光的響應范圍。經過羅丹明B降解活性的測量，可以得出CdS-K2La2Ti3-xNbxO10催化劑的催化活性分別是K2La2Ti3O10和K2La2Ti3-xNbxO10的4.05倍和5.28倍。

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聯系方式：wkcui@163.com

中圖分類號：TQ135.12

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4990（2013）08-0056-04

收稿日期：2013-02-17

作者簡介：崔文權（1977—），男，博士，副教授，主要從事多相催化及納米材料合成等方面的研究，已公開發(fā)表論文50余篇。

*基金項目：國家自然科學基金（51202056、51172063、50972037）；河北省青年科學基金資助項目（E2012401070）。

Preparation of CdS-pillared K2La2Ti3-xNbxO10composite and photocatalytic properties thereof

Cui Wenquan1，3，An Weijia1，Liu Li1，Qi Yueli1，2，Liang Yinghua1，Zhang Ting1
（1.School of Chemical Engineering，Hebei United University；Tangshan 063009，China；2.Hebei Huizheng Engineering Technology Co.，Ltd.；3.Hebei Provincial Key Laboratory of Inorganic Nonmetallic Materials）

Abstract：K2La2Ti3O10was firstly prepared by stearic acid method and K2La2Ti3-xNbxO10was obtained through the doping of Nb ions.Then proton exchange，and amine pillared/Cd ion exchange were conducted by microwave method.Finally，CdSK2La2Ti3-xNbxO10catalyst was prepared by curing reaction.The catalyst was characterized by X-ray diffraction，scanning electron microscopy，and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy.The photocatalytic activities of K2La2Ti3O10，K2La2Ti3-xNbxO10，and CdS-K2La2Ti3-xNbxO10for the degradation of rhodamine B were also investigated under UV and visible light irradiation. Results revealed that the Nb ions doping and CdS intercalation widened the range of visible light absorption，inhibited the recombination efficiency of photo-induced electrons and holes，and greatly enhanced the photocatalytic activity of catalyst.At the same time，it was exhibited more excellent activity than those of K2La2Ti3O10and K2La2Ti3-xNbxO10catalysts.

Key words：photocatalysis；rhodamine B；potassium lanthanum titanate；doping；intercalation