磁性磷酸銀催化劑的制備及其光催化性能研究

李作鵬，白培萬，武惠民，郭 永

(山西大同大學應(yīng)用化學研究所，山西 大同 037009)

磁性磷酸銀催化劑的制備及其光催化性能研究

李作鵬，白培萬，武惠民，郭 永*

(山西大同大學應(yīng)用化學研究所，山西 大同 037009)

采用沉積沉淀法制備了四氧化三鐵負載磷酸銀(Ag3PO4/Fe3O4)可見光磁性催化劑，利用透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)對催化劑的微觀形貌進行了表征。用甲基橙的光催化降解評價了不同負載量的Ag3PO4/Fe3O4復(fù)合催化劑的光催化性能。結(jié)果表明：當Ag3PO4負載量為50%時光降解效果最好，在模擬太陽光下，輻照80min后的降解率可達到90%以上。

磁性；磷酸銀；光催化

隨著納米技術(shù)的發(fā)展而興起的納米光催化技術(shù)，作為一種環(huán)境友好的新技術(shù)，為人類治理環(huán)境開辟了一條行之有效的途徑。二氧化鈦是目前應(yīng)用最為廣泛的光催化劑，然而其狹窄的光響應(yīng)范圍和較低的量子效率，大大限制了它在工業(yè)上的應(yīng)用[1]，因此開發(fā)高效具有可見光響應(yīng)的新型光催化劑成為光催化領(lǐng)域中一項重要的研究課題。具有可見光響應(yīng)的光催化劑主要有兩類，一類是對傳統(tǒng)紫外光響應(yīng)的光催化劑進行改性[2-4]，第二類是設(shè)計和開發(fā)具有可見光響應(yīng)的新型光催化劑[5-6]。2010年葉金花課題組在Nature Materials上報道了一種新型、高效的光催化劑磷酸銀[7]，其禁帶寬度為2.36 e V，可以吸收波長小于525 nm的可見光和紫外光，在可見光照射下表現(xiàn)出非常強的氧化能力和光催化分解有機物的能力，在含有硝酸銀為犧牲劑的水溶液中，其量子產(chǎn)率可以達到92%，遠遠高于其它金屬氧化物20%的效率。

另一方面，F(xiàn)e3O4納米粒子由于其良好的磁性，被廣泛應(yīng)用于磁性催化劑的載體，同時，F(xiàn)e3O4擁有良好的快速導(dǎo)電性[8]，因此可以利用其良好的導(dǎo)電性與Ag3PO4形成異質(zhì)結(jié)來提高電荷-空穴分離效率。我們采用沉積沉淀法制備了四氧化三鐵負載磷酸銀磁性光催化劑，不僅可以有效提高磷酸銀催化劑的電荷-空穴分離效率，還可以實現(xiàn)光催化劑的快速分離，實現(xiàn)多次循環(huán)利用的目的。

1 實驗方法

1.1 儀器與試劑

儀器：NOVA Nano SEM450掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)，JEM-2010透射電子顯微鏡(日本電子株式公社)，722-E型分光光度計(海光譜儀器有限公司)，KQ5200DE型超聲共振儀(昆龍超聲儀器有限公司)，磁性測量儀(MPMS XL-7)，CHP-XM500氙燈光源系統(tǒng)(北京暢拓科技有限公司)。

試劑：油酸(Alfa Aesar)，乙二醇(國藥集團)，三水合乙酸鈉(天津市河東區(qū)紅巖試劑廠)，六水合三氯化鐵(天津市北方天醫(yī)化學試劑廠)，醋酸銀(國藥集團化學試劑有限公司)，磷酸氫二鈉(北京雙環(huán)化學試劑廠)，甲基橙(天津市化學試劑一廠)，均為分析純(AR)。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 四氧化三鐵載體的制備

量取80 mL乙二醇、80 mL油酸，稱取6.6 g三水合乙酸鈉、7.5 g六水合三氯化鐵，依次加入250mL三口燒瓶中。在50℃水浴條件下加熱攪拌40 min。反應(yīng)完畢冷卻至室溫將其轉(zhuǎn)移入250 mL的反應(yīng)釜內(nèi)，在200℃烘箱內(nèi)恒溫加熱16 h。反應(yīng)完畢后自然冷卻至室溫，然后將反應(yīng)釜內(nèi)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移入500 mL的燒杯內(nèi)，靜置2～3 h，抽濾。用95%乙醇洗滌一次，在50℃真空條件下烘干5 h。1.2.2四氧化三鐵負載磷酸銀的制備

將制備好的四氧化三鐵加入到0.025mol/L磷酸銀溶液中，在25℃條件下攪拌1 h，然后在超聲共振儀中超聲30 min，將0.15 mol/L磷酸氫二鈉溶液逐滴滴入磷酸銀溶液中[9]。滴加完畢后，在35℃下攪拌6 h。然后將其用蒸餾水洗滌3次，烘箱內(nèi)50℃烘干備用。

1.3 催化劑的表征與評價

采用JEM-2010掃描電子顯微鏡和NOVA Nano SEM 450透射電子顯微鏡對催化劑的形貌進行分析。使用500W氙燈，在模擬太陽光下(100 mW/cm2)下，用10mg/L的甲基橙催化降解后的463 nm吸光度實驗來評價四氧化三鐵負載磷酸銀催化劑的光催化活性。磁性測量儀(MPMSXL-7)來測定磁性催化劑的飽和磁化強度。

2 結(jié)果與討論

圖1 催化劑的掃描電鏡及透射電鏡圖像

由于菱形十二面體Ag3PO4晶體所擁有的110面比正立方體的100面有更高的催化活性[9]，因此我們采用了菱形十二面體Ag3PO4晶體作為負載光催化劑的活性成分。圖1a)為50%Ag3PO4負載量的Ag3PO4/Fe3O4催化劑SEM圖，可清晰看出，Ag3PO4晶體周圍被粒徑更小的四氧化三鐵包覆在周圍，納米四氧化三鐵粒子的粒徑在50 nm左右，磷酸銀晶體在100～300 nm之間分布，粒徑大小不一，這可能和制備的條件有關(guān)系。從另一方面也說明復(fù)合催化劑的形成過程是菱形十二面體Ag3PO4作為晶體首先生長出來然后和周圍的納米四氧化三鐵粒子形成了復(fù)合催化劑。圖1b)為50% Ag3PO4負載量的Ag3PO4/Fe3O4催化劑TEM圖，其中的Ag3PO4晶體呈現(xiàn)出菱形十二面體，而四氧化三鐵附著在Ag3PO4晶體，磷酸銀晶體在100 nm，納米四氧化三鐵粒子的粒徑在20～30 nm左右，與SEM尺度不同，說明四氧化三鐵納米粒子有一定的團聚。

圖2為不同負載量的Ag3PO4/Fe3O4催化劑催化性能，數(shù)據(jù)表明，不同負載量的磷酸銀光催化劑對甲基橙都有明顯的光降解能力，雖然與純的磷酸銀(10 min內(nèi)降解率可以達到90%)相比，光催化活性有明顯的降低，但磷酸銀的用量也相對減小，不同的磷酸銀負載量對光催化劑的光催化活性有較大影響，當磷酸銀的負載量為50%時，四氧化三鐵負載磷酸銀對甲基橙的催化效果最好。

圖2 不同負載量的Ag3PO4/Fe3O4催化劑催化性能

圖3 磁鐵吸引Ag3PO4/Fe3O4催化劑

圖4 50%Ag3PO4負載量的Ag3PO4/Fe3O4催化劑磁學性能

圖3為50%Ag3PO4負載量的Ag3PO4/Fe3O4催化劑在染料溶液中被磁鐵吸附能力，可看出Ag3PO4/Fe3O4復(fù)合可見光催化劑性狀為均勻的粉末狀固體，顏色為灰黑色且顏色分布均勻，磁鐵很容易將該復(fù)合催化劑吸引到試管壁上。另一方面，對催化劑的磁性表征表明催化劑的飽和磁化強度為27.47 emu/g，充分說明該復(fù)合催化劑具有很好的磁性，并可以實現(xiàn)催化劑的分離以及重復(fù)利用，見圖4。

3 結(jié)論

采用沉積沉淀法制備了一系列不同的磷酸銀負載四氧化三鐵復(fù)合磁性光催化劑，當Ag3PO4負載量為50%時光降解效果最好，在模擬太陽光下，輻照80min后的降解率可達到90%以上，并具有很好的磁性，可以實現(xiàn)催化劑的回收再利用且降低了成本，因此該催化劑具有很好的發(fā)展前景。

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〔責任編輯 楊德兵〕

Facile Preparation of Magnetic Fe3O4/Ag3PO4Catalyst and its Photocatalytic Properties

LIZuo-peng，BAIPei-wan，WU Hui-min，GUO Yong
(Institute of Applied Chemistry，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009)

Magnetic Fe3O4/Ag3PO4visible-light catalyst was successfuly prepared by deposition-precipitation method.The crystal structure and morphology of catalysts were characterized by scanning electron microscopy(SEM)and transmission electron microscopy(TEM)repectively.The photocatalytic activities of Fe3O4/Ag3PO4visible-light catalyst were evaluated by the photodegradation oforganic dyemethylorange under full sunlight illumination(100mW·cm-2，AM 1.5 G)，the primary results showed that the composite photocatalysts had good photocatalytic activity onmethylorange degradation.Decolourizing rate of10mg·L-1methyl orange solution using the composite photocatalystswas up to 90%within 80min irradiation.

magnetic；Ag3PO4；photocatalysis

O643.3

A

2013-04-10

國家自然科學基金[21073113]；山西省青年科技研究基金[2012021006-1]；山西大同大學博士科研啟動基金作者簡介：李作鵬(1979-)，男，山西襄垣人，博士，講師，研究方向：太陽能光催化；*郭永，博士，教授，通信作者。

1674-0874（2013）03-0043-03