Ag 改性PVA/SrTiO3/TiO2光催化材料的制備及性能

劉富華

（國投信開水環(huán)境投資有限公司，北京 101149）

全球研究人員一直致力于開發(fā)和改進(jìn)一種更有效的方法來處理日益嚴(yán)重的有機(jī)染料污染。光催化以半導(dǎo)體為光催化劑，能有效脫色并去除廣泛的有機(jī)污染物，已成為環(huán)境污染物處理的研究熱點(diǎn)〔1-5〕。二氧化鈦（TiO2）具有很強(qiáng)的氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性并且無毒性，是目前最受歡迎的光催化材料之一。然而，二氧化鈦有一些缺點(diǎn)，如光生電子-空穴對的復(fù)合率高、太陽能的利用率低、回收再利用能力差。研究人員為進(jìn)一步提高其光催化活性做了大量工作，如采用金屬復(fù)合〔5-8〕、與非金屬物質(zhì)結(jié)合〔9-11〕等方法對其進(jìn)行改性。鈦酸鍶（SrTiO3）作為一種帶隙為3.2 eV 的光催化劑，由于具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)、制備容易、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在光催化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用〔8，12-15〕。L. T. M. OANH 等〔15〕通過水熱法制備了SrTiO3/TiO2，其已被證明具有良好的光催化性能。為進(jìn)一步提高SrTiO3/TiO2催化活性，本研究擬對其進(jìn)行貴金屬納米粒子的摻雜。銀納米顆粒具有良好的導(dǎo)電性，便于光生電子的遷移，能有效改善光催化性能〔5，11〕，因此，可用銀納米顆粒對SrTiO3/TiO2進(jìn)行摻雜改性。

在廢水處理過程中，納米顆粒容易發(fā)生不可逆團(tuán)聚，導(dǎo)致活性位點(diǎn)和光催化性能下降，并且難以從反應(yīng)混合物中回收和純化。因此，將納米粒子固定在透明基材上是改善材料性能的有效途徑。聚乙烯醇（PVA）具有良好的力學(xué)性能、生物相容性和無毒性，具有顯著的實(shí)用價(jià)值〔11，16-18〕。高透明度的三維結(jié)構(gòu)的PVA 是納米粒子的理想載體。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚乙烯醇（PVA）、戊二醛（GA）、偏鈦酸、聚乙二醇-20000（PEG-20000）、草酸銨〔（NH4）2C2O4）〕、六水合氯化鍶（SrCl3·6H2O）、硝酸銀（AgNO3）、乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%）、鹽酸（HCl）、氨溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%）、亞甲基藍(lán)（MB）、氫氧化鈉（NaOH），均購自天津大茂化學(xué)試劑廠。所有試劑使用前均未進(jìn)一步純化。

1.2 SrTiO3/TiO2/Ag 及SrTiO3/TiO2復(fù)合材料的合成

SrTiO3/TiO2/Ag 依如下步驟進(jìn)行制備：（1）將1.8 g偏鈦酸緩慢加入到含有0.2 g PEG-20000、3.5 g SrCl3·6H2O 和0.24 g AgNO3的100 mL 水 溶 液 中，并混 合 均 勻。隨 后 將100 mL 含3.4 g（NH4）2C2O4的 水溶液和10 mL 氨水緩慢加入其中。接下來用氨溶液調(diào)節(jié)溶液pH 到9.0，采用磁力攪拌器以500 r/min 的速度攪拌樣品1 h。然后將混合物置于烘箱中并在80 ℃下老化20 h，過濾沉淀，去離子水洗滌3 次，100 ℃干燥。將干燥后的物料放入馬弗爐中，500 ℃焙 燒2 h，800 ℃焙燒4 h，獲得SrTiO3/Ag 材料。（2）取0.5 g的SrTiO3/Ag材料分散于30 mL乙醇中，逐滴加入1 mL 鈦酸四丁酯，磁力攪拌（500 r/min）30 min。隨后在相同轉(zhuǎn)速下，逐滴加入2 mL 去離子水，之后離心并用去離子水洗滌3 次，100 ℃干燥，隨后放入馬弗爐中，500 ℃焙燒3 h，獲得SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料。

SrTiO3/TiO2材料的制備方法除不加AgNO3外，步驟同上。

1.3 PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料的合成

取1.0 g 制備的SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料完全分散在30 mL 去離子水中。將2.00 g PVA 轉(zhuǎn)移到SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料懸浮液中，90 ℃下攪拌溶解。待PVA 完全溶解后，在連續(xù)攪拌下緩慢加入4.10 mL GA（稀釋至25%），再加入HCl 調(diào)節(jié)pH 至4，然后在45 ℃烘箱中加熱8 h，過濾沉淀，采用乙醇洗滌1 次，再用去離子水洗滌3 次，80 ℃干燥12 h，最終得到PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料。

1.4 表征

采用X 射線衍射儀（XRD，D8 Advance，德國布魯克），使用Cu Kα輻射源確定樣品的相組成和晶體結(jié)構(gòu)。采用掃描電子顯微鏡（SEM，Sigma 300，德國蔡司）、透射電子顯微鏡（TEM，F(xiàn)EI Tecnai F20，美國）和能量色散X 射線（EDX）光譜儀觀察樣品的形貌和微觀結(jié)構(gòu)。采用X 射線光電子能譜（XPS，ESCALB 250XI，美國賽默飛）分析表面元素的化學(xué)狀態(tài)。采用紫外-可見分光光度計(jì)（UV-vis DRS，UV3600，日本島津）測量紫外-可見吸收光譜。采用配備254 nm 激發(fā)波長的熒光分光光度計(jì)（Gangdong F-320，天津港東科技股份有限公司，中國）測定光致發(fā)光（PL）光譜。采用順磁共振波譜儀（EPR，EMXplus，德國布魯克）測試活性物質(zhì)。

1.5 光催化活性測試

在配備有紫外燈（14 W，254 nm，飛利浦）的光催化反應(yīng)器中測試復(fù)合材料的光催化活性。將MB溶液裝入反應(yīng)器中，取一定量的催化劑分散在MB 溶液中，在暗處攪拌30 min，使染料和催化劑達(dá)到吸附-解吸平衡。通過722G 紫外-可見分光光度計(jì)（日本）在665 nm 處測試溶液吸光度，隨后打開紫外燈，每20 min 提取1 次反應(yīng)溶液進(jìn)行吸光度測試。溶液中MB 的殘留質(zhì)量濃度Ct采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法確定，MB 在溶液中的脫色率依照公式η = (C0- Ct)/C0× 100%進(jìn)行計(jì)算，其中，C0和Ct分別為MB 溶液的初始質(zhì)量濃度和反應(yīng)t 時(shí)刻質(zhì)量濃度〔15-17〕。采用Langmuir-Hinshelwood 準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)研究MB 溶液的光催化動(dòng)力學(xué)，其反應(yīng)模型為ln(C0/Ct)=kapp×t，其中C0和Ct分別為吸附-解吸平衡時(shí)和紫外照射時(shí)間t 下MB 溶液的質(zhì)量濃度，kapp為表觀常數(shù)〔6，11，17〕。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD 分析

通過XRD 表 征SrTiO3/TiO2、SrTiO3/TiO2/Ag 和PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖1。

時(shí)鐘撥回到43年前。1975年初，北京大學(xué)教師王選帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始研究“748工程”中的子項(xiàng)目“漢字精密照排系統(tǒng)”，用一系列顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明，解決了漢字字形信息的數(shù)字化儲(chǔ)存、信息壓縮、復(fù)原和輸出等重大難題，成功研制第四代漢字激光照排系統(tǒng)。自此，中國印刷技術(shù)告別“鉛與火”，走向“光與電”。

圖1 SrTiO3/TiO2、SrTiO3/TiO2/Ag 和PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 的XRDFig.1 XRD of SrTiO3/TiO2，SrTiO3/TiO2/Ag and PVA/SrTiO3/TiO2/Ag

由圖1 可知，SrTiO3/TiO2復(fù)合材料的譜圖中2θ為25.3°、37.8°、48.1°和55.1°的峰與PD#21-1272 匹配良好，分別對應(yīng)銳鈦礦TiO2的（101）、（004）、（200）和（211）面〔7-9，15〕；2θ 為32.4°、39.9°、46.5°、57.8°、67.8°和77.2°的峰與PDF#35-0734 匹配良好，對應(yīng)著SrTiO3的（110）、（111）、（200）、（211）、（220）和（310）面〔12-15〕。在Ag 改性SrTiO3/TiO2后復(fù)合材料的XRD 譜 圖中，于2θ 為38.1°和44.3°處 觀 察 到Ag 的（111）和（200）面（PDF#04-0783）〔5，11〕，證 實(shí)Ag 納 米顆粒成功復(fù)合在SrTiO3/TiO2復(fù)合材料上。PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù) 合 材 料 的XRD 譜 圖 中，2θ 為19.2°處的峰對應(yīng)于PVA（101）面〔17-18〕，同時(shí)其他材料的晶面也被觀察到，表明PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料制備成功。

2.2 SEM 和TEM 分 析

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）研究PVA、SrTiO3/TiO2、SrTiO3/TiO2/Ag和PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 的形貌和結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖2。

圖2 PVA（a）、SrTiO3/TiO2/Ag（b）和PVA/SrTiO3/TiO2/Ag（c）的SEM 和PVA/SrTiO3/TiO2/Ag（d）的EDX 光譜Fig.2 SEM of PVA（a），SrTiO3/TiO2/Ag（b）and PVA/SrTiO3/TiO2/Ag（c），and EDX spectroscopy of PVA/SrTiO3/TiO2/Ag（d）

由圖2（a）可知，PVA 具有多孔的均勻分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為復(fù)合材料的負(fù)載提供了巨大的比表面積和空間；由圖2（b）可知，復(fù)合材料SrTiO3/TiO2/Ag中納米顆粒大小均勻且團(tuán)聚在一起，粒徑大小約為30 nm；由圖2（c）可知，經(jīng)過PVA 修飾后，PVA/SrTiO3/TiO2/Ag復(fù)合材料呈現(xiàn)出一個(gè)獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，SrTiO3/TiO2/Ag 中納米粒 子 與PVA 緊 密 結(jié)合，SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料的大部分表面暴露在外，有利于其活性位點(diǎn)對光的響應(yīng)；由圖2（d）可知，PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料由C、Sr、Ti、O 和Ag 元素組成，再次證實(shí)PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料的成功制備。

2.3 XPS 分析

通過X 射線光電子能譜研究PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 表面元素的化學(xué)狀態(tài)，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，XPS測量光譜顯示出C 1s、O 1s、Ti 2p、Sr 3d、Ag 3d 的峰〔圖3（a）〕。C 1s 光譜〔圖3（b）〕顯示4 個(gè)結(jié)合能峰，位于283.5、284.8、286.2、287.3 eV 處，分別歸因于C—C、C—H、C—O、C==O 鍵〔17〕；O 1s 光譜〔圖3（c）〕顯示529.0 eV和531.3 eV處的2個(gè)峰，它們分別歸屬于晶格氧（OL）和表面羥基（OOH）〔19-20〕；Ti 2p光譜〔圖3（d）〕顯示2個(gè)典型的峰，表明Ti 2p3/2和Ti 2p1/2峰位于結(jié)合能458.6 eV和463.8 eV〔6，12-14〕處；圖3（e）分別顯示了在134.4 eV 和132.6 eV 處的Sr 3d3/2和Sr 3d5/2峰〔12-14，19〕；圖3（f）分別顯示了在373.9 eV 和367.9 eV 處的Ag 3d3/2和Ag 3d5/2峰〔5，19〕。

2.4 UV-Vis DRS 和PL 分 析

實(shí)驗(yàn) 研究了SrTiO3/TiO2、SrTiO3/TiO2/Ag 和PVA/SrTiO3/TiO2/Ag的UV-Vis DRS光譜及在激發(fā)波長254 nm處的TiO2、SrTiO3/TiO2、SrTiO3/TiO2/Ag 和PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 的光致發(fā)光（PL）光譜，結(jié)果見圖4。

圖3 PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 的XPSFig.3 The XPS spectrum of PVA/SrTiO3/TiO2/Ag

圖4 UV-Vis DRS 和PL 分 析Fig.4 UV-Vis DRS and PL analysis

由圖4（a）可知，SrTiO3/TiO2在紫外光波長范圍內(nèi)有一定的吸光度。與SrTiO3/TiO2相比，SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料吸光度更強(qiáng)，吸收曲線有明顯紅移，光響應(yīng)范圍延伸至可見光區(qū)，有利于提高太陽能的利用率，這是因?yàn)殂y納米顆粒具有良好的導(dǎo)電性，便于光催化劑光激發(fā)電子的遷移從而有效改善光學(xué)性能〔12〕，同時(shí)，金屬銀具有表面等離子體共振效應(yīng)，可將SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料的光響應(yīng)范圍擴(kuò)展至可 見 光 區(qū)〔19〕。相比SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù) 合 材 料，PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料在可見光范圍內(nèi)顯示出相對較弱的吸光度，但仍然呈現(xiàn)出高的吸光度，這是因?yàn)檩d體PVA 的復(fù)合導(dǎo)致了SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料表面的暴露面積和活性位點(diǎn)數(shù)量的減少〔16-18〕，但影響程度有限。

圖4（b）中，較高的PL 強(qiáng)度意味著高的光生電子-空 穴對的復(fù)合率〔8，12，15，17〕，箭頭表示不同材 料的PL 強(qiáng)度沿著箭頭方向減少。TiO2在光激發(fā)下具有一定的PL 強(qiáng)度，而SrTiO3/TiO2的PL 強(qiáng)度相對較弱。這意味著SrTiO3/TiO2具有相對較低的光生電子-空穴對的復(fù)合率，這可能與SrTiO3和TiO2之間形成的異 質(zhì) 結(jié)有 關(guān)〔15〕。Ag 改 性SrTiO3/TiO2后 的復(fù) 合 材 料具有更低PL 強(qiáng)度，這個(gè)結(jié)果證實(shí)Ag 納米顆粒的復(fù)合能夠提高光催化劑光生載流子的分離效率，進(jìn)而改善光催化性能。PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 的PL 強(qiáng)度略高于SrTiO3/TiO2/Ag，這表明與PVA 的復(fù)合僅有限地降低了光生載流子的分離效率。

2.5 光催化性能

紫外光照射下，在pH=7 條件下向80 mL 初始質(zhì)量濃度為20 mg/L 的MB 溶液中投加0.15 g 催化劑，研究TiO2、SrTiO3/TiO2、SrTiO3/TiO2/Ag 和PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 對MB 的光催化性能及其相應(yīng)的光催化動(dòng)力學(xué)，結(jié)果見圖5。

圖5 不同催化劑對MB 降解的催化性能（a）和相應(yīng)的光催化動(dòng)力學(xué)（b）Fig.5 Catalytic performance of different catalysts for MB degradation（a）and corresponding photocatalytic kinetics（b）

由圖5（a）可知，PVA/TiO2的催化活性較之于PVA/SrTiO3/TiO2復(fù)合材料來講相對較弱，這是因?yàn)镾rTiO3和TiO2不僅可以單獨(dú)吸收光子產(chǎn)生活性物種，還可以通過接觸形成異質(zhì)結(jié)，有利于催化劑表面光生電子的轉(zhuǎn)移。Ag 改性PVA/SrTiO3/TiO2復(fù)合材料表現(xiàn)出最佳的光催化性能，這是因?yàn)殂y納米顆粒優(yōu)異的導(dǎo)電性能可促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移，延長電子壽命，抑制電子-空穴對的快速復(fù)合〔5〕。在紫外光下，MB 在不同催化劑下的相應(yīng)光催化降解動(dòng)力學(xué)遵循準(zhǔn)一級(jí)模型，如圖5（b）所示。PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料的光催化降解表觀速率常數(shù)為0.012 min-1，遠(yuǎn)大于PVA/SrTiO3/TiO2復(fù)合材料的表觀速率常數(shù)，證實(shí)銀納米顆粒可以有效提高復(fù)合材料的光催化性能。

紫外光照射下，在pH=7 條件下向80 mL MB 溶液中投加0.15 g 催化劑，考察PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 在不同MB 初始質(zhì)量濃度下的催化性能，并研究其相應(yīng)的光催化動(dòng)力學(xué)，結(jié)果見圖6。

圖6 PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 在不同MB 初始質(zhì)量濃度下的催化性能（a）和相應(yīng)的光催化動(dòng)力學(xué)（b）Fig.6 Catalytic performance（a）and the corresponding photocatalytic kinetics（b）of PVA/SrTiO3/TiO2/Ag under different MB initial mass concentration

由圖6（a）可知，隨著初始MB 濃度的增加，暗吸附過程中MB 的去除效率降低。同時(shí)，隨著初始MB濃度的增加，更多的染料分子吸附在催化劑表面，且當(dāng)催化劑的吸附容量達(dá)到平衡時(shí)，溶液中染料分子的相對含量也增加。雖然在光催化過程中，更多的染料分子可以參與激發(fā)和能量轉(zhuǎn)移，促進(jìn)活性位點(diǎn)的產(chǎn)生〔17〕，但是，如果染料濃度過大，光子將被大量染料分子阻擋和吸收，導(dǎo)致到達(dá)催化劑表面的光子數(shù)量減少〔21〕。MB 在不同濃度下的相應(yīng)光催化降解動(dòng)力學(xué)遵循準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型〔圖6（b）〕，初始MB質(zhì)量濃度為20 mg/L 時(shí)反應(yīng)的表觀速率常數(shù)為0.012 min-1，130 min 后MB 去除率達(dá)到78%。

pH 在去除過程中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗c材料的結(jié)構(gòu)和催化性能密切相關(guān)〔3，21〕。向80 mL初始質(zhì)量濃度為20 mg/L 的MB 溶液中投加0.15 g催化劑，考察不同pH 下PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 的催化性能，并探究其相應(yīng)的光催化動(dòng)力學(xué)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 在不同pH 下的催化性能（a）和相應(yīng)的光催化動(dòng)力學(xué)（b）Fig.7 Catalytic performance（a）and the corresponding photocatalytic kinetics（b）of PVA/SrTiO3/TiO2/Ag at different pH

由圖7（a）可知，復(fù)合材料在酸性條件下的催化效率較差，原因可能是酸性條件下存在大量H+，而大量的H+可能會(huì)減緩羥基自由基（·OH）和超氧離子自由基（O2?-）的形成速度，縮短其存在的時(shí)間，導(dǎo)致催化效果較差。隨著pH 從7 增加到9，其吸附容量增加，pH 超過9，吸附容量下降，在pH=9 時(shí)PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料獲得最佳吸附能力。這是因?yàn)殡S著pH 的增加，催化劑表面開始去質(zhì)子化，從而加強(qiáng)了其與MB 陽離子之間的靜電作用并與之結(jié)合，強(qiáng)吸附增加了催化劑表面染料的濃度，導(dǎo)致染料與活性物質(zhì)之間快速有效地碰撞〔17，21〕，從而光催化性能有所增加；但當(dāng)溶液的pH 高于9 時(shí)，由于溶液中過多的氫氧根離子與MB 陽離子發(fā)生相互作用致使吸附能力下降。MB在不同pH下相對應(yīng)的光催化降解動(dòng)力學(xué)遵循準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型〔圖7（b）〕，PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 在pH 為9 時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性，表觀速率常數(shù)為0.018 min-1，此pH 條件下，在吸附和光催化結(jié)合下，PVA/SrTiO3/TiO2/Ag也獲得最佳去除性能，MB 去除率為88%。

2.6 可重復(fù)使用性

紫外光照射下，在pH=7 條件下向80 mL 初始質(zhì)量濃度為20 mg/L 的MB 溶液中投加0.15 g 催化劑進(jìn)行光催化降解，每次反應(yīng)完成后，將催化劑過濾，用乙醇和去離子水交叉洗滌各3 次。洗滌完畢的催化劑在真空烘箱中60 ℃下干燥8 h，然后用于下一次實(shí)驗(yàn)。一共進(jìn)行3 個(gè)循環(huán)，考察PVA/SrTiO3/TiO2/Ag對MB 光催化的可重復(fù)使用性，結(jié)果見圖8。

由圖8 可 知，PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù) 合 材 料 對MB 的催化降解率在3 個(gè)循環(huán)后從78%下降到70%，下降幅度不大，表明該復(fù)合材料具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性。催化降解率減少的原因是每次實(shí)驗(yàn)后部分催化劑表面被一層薄薄的中間產(chǎn)物覆蓋，導(dǎo)致光子捕獲活性位點(diǎn)減少，反應(yīng)過程中復(fù)合材料的吸附能力有所下降〔17〕。

2.7 光催化機(jī)理

在光催化過程中，光催化劑表面活性位點(diǎn)產(chǎn)生的活性物質(zhì)與染料分子接觸而反應(yīng)。對PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料進(jìn)行EPR 測試，以5，5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）為清除劑，加入水檢測·OH，加入二甲基亞砜（DMSO）檢測O2·-，結(jié)果見圖9。

圖8 PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 對MB 光催化降解的可重復(fù)使用性Fig.8 The reusability of PVA/SrTiO3/TiO2/Ag on MB photodegradation

圖9 PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料的EPRFig.9 EPR spectrum of PVA/SrTiO3/TiO2/Ag composite

由圖9 可知，在光照時(shí)間10 min 下，DMPO-·OH懸浮液的EPR 光譜中出現(xiàn)4 個(gè)典型信號(hào)，DMPO-懸浮液的EPR 光譜中出現(xiàn)6 個(gè)典型信號(hào)，但在黑暗條件下均未觀察到信號(hào)〔16〕。這表明O2·-和·OH 均參與催化反應(yīng)。據(jù)此進(jìn)行PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 的作用機(jī)理推測，結(jié)果見圖10。

如圖10 所示，帶隙約為3.4 eV 的SrTiO3和帶隙約3.2 eV 的TiO2在紫外光下很容易被激發(fā)產(chǎn)生光生電子和空穴〔6-9，12-15〕。SrTiO3的導(dǎo)帶（CB）具有比TiO2更大的負(fù)電位，導(dǎo)致光生電子從SrTiO3的導(dǎo)帶遷移到TiO2的導(dǎo)帶。另一方面，SrTiO3上的空穴（h+）將從SrTiO3的價(jià)帶（VB）轉(zhuǎn)移到TiO2的價(jià)帶，因?yàn)镾rTiO3的VB 具有比TiO2的VB 更小的正電位〔6-9，12-15〕。最終光生電子在TiO2的CB 上積累，而光生空穴在SrTiO3的VB 上積累。同時(shí)，復(fù)合材料中Ag 納米顆粒會(huì)促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移〔5〕?？昭ㄅcH2O反應(yīng)生成·OH，光生電子被氧捕獲生成O2·-，產(chǎn)生的強(qiáng)氧化自由基O2·-和·OH 被吸附在催化劑表面的MB 接受，實(shí)現(xiàn)對MB 的去除〔8，12，14〕。同時(shí)，部分空穴也可能會(huì)與MB 直接反應(yīng)形成中間體〔17〕。

圖10 PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料在紫外光下電子-空穴轉(zhuǎn)移機(jī)理Fig.10 Electron-hole transfer mechanism of PVA/SrTiO3/TiO2/Ag composite under ultraviolet light

3 結(jié)論

采用溶膠-凝膠和共沉淀方法成功合成PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料，其具有均勻且明確的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。UV-Vis DRS 和PL 分析表明該復(fù)合材料在紫外-可見光范圍內(nèi)具有高吸光度，能有效抑制光生電子-空穴對的復(fù)合。PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 復(fù)合材料對MB 染料顯示出高光催化性能，通過3 個(gè)測試循環(huán)證明PVA/SrTiO3/TiO2/Ag 具有較好的重復(fù)使用性。此研究表明該復(fù)合材料在染料廢水處理方面具有巨大潛力。