摘要:采用簡(jiǎn)單水熱法制備CaWO4微米球,并利用化學(xué)還原法在其表面負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Pt納米顆粒構(gòu)建Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié).通過(guò)XRD,XPS,SEM和TEM表征可知,CaWO4微米球和Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié)已成功制備;紫外-可見(jiàn)漫反射光譜表明,負(fù)載Pt納米顆粒后復(fù)合材料對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)顯著增強(qiáng);紅外熱成像測(cè)試表明Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié)具有明顯的光熱效應(yīng),可顯著提高催化劑表面溫度.以四環(huán)素作為目標(biāo)降解物進(jìn)行光催化性能評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié)具有最佳光催化降解效率,2 h內(nèi)四環(huán)素的降解效率為79.8%.
關(guān)鍵詞:CaWO4微米球;Pt負(fù)載;光熱效應(yīng);四環(huán)素;降解
中圖分類號(hào):X 703;O 643.36 """文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A """文章編號(hào):1001-988Ⅹ(2024)06-0105-07
Promoting photocatalytic degradation of tetracycline
by photothermal effect of Pt-CaWO4 heterojunction
PAN Long-kai,ZHAO Chen-yu,ZHOU Yong-jie,LI Fei
(College of Physics and Electronic Information Engineering,Qinghai Normal University,Xining 810008,Qinghai,China)
Abstract:CaWO4 micron spheres were prepared by simple hydrothermal method,and Pt-CaWO4 heterostructures were constructed by chemical reduction method loaded with Pt nanoparticles by different mass fractions.XRD,XPS,SEM and TEM analysis found that CaWO4 microspheres and Pt-CaWO4 heterojunctions are successfully prepared.Ultraviolet-visible diffuse reflectance spectra showed that the response of all composites to visible light is significantly enhanced after loading Pt nanoparticles.Pt-CaWO4 heterojunction has obvious photothermal effect and can significantly increase the surface temperature of catalyst.The photocatalytic performance of tetracycline is evaluated.The results showed that Pt-CaWO4 heterojunction with 0.5% load mass fraction has the best photocatalytic degradation efficiency,and the degradation efficiency of tetracycline is 79.8% within 2 h.
Key words:CaWO4 micron spheres;Pt load;photothermal effect;tetracycline;degradation
隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速和抗生素的廣泛應(yīng)用,水體污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻,其中四環(huán)素類抗生素的殘留已成為一個(gè)不容忽視的環(huán)境問(wèn)題[1-3].四環(huán)素作為一類廣譜抗生素,在醫(yī)療、畜牧業(yè)等領(lǐng)域廣泛使用,但其難生物降解的特性導(dǎo)致在環(huán)境中長(zhǎng)期存在,對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在威脅,同時(shí)也可能通過(guò)食物鏈累積,影響人類健康[4].光催化技術(shù)作為一種新興的環(huán)境治理手段,對(duì)四環(huán)素等難降解有機(jī)污染物方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)[5].但是,目前光催化降解四環(huán)素技術(shù)卻面臨光生載流子復(fù)合率高、光利用率低和催化效率低等問(wèn)題,嚴(yán)重限制光催化技術(shù)在抗生素降解領(lǐng)域的應(yīng)用.因此,探索新的催化體系和改性方法對(duì)促進(jìn)光催化技術(shù)的發(fā)展具有重要意義[6].
近年來(lái),CaWO4以其安全無(wú)毒、pH適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)在光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的性能和潛力.CaWO4通常為白鎢礦型晶體結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)為其提供了良好的光學(xué)和電學(xué)性能基礎(chǔ).然而,CaWO4的帶隙較大,只能響應(yīng)紫外光,因此光吸收范圍小,光利用率低[7].Zhang等[8]通過(guò)水熱法合成了啞鈴狀Bi2WO6@CaWO4異質(zhì)結(jié),并對(duì)其光催化降解性能進(jìn)行測(cè)試.結(jié)果顯示,Bi2WO6@CaWO4異質(zhì)結(jié)兼具微觀結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),既能保證Bi2WO6光催化劑與有機(jī)分子的充分接觸,又有利于催化劑顆粒的沉積;同時(shí),還能促進(jìn)光生載流子的分離與傳輸.
相關(guān)研究表明,在半導(dǎo)體光催化劑表面負(fù)載貴金屬納米顆粒作為助催化劑,可以有效提高光催化性能[9-10].半導(dǎo)體和所負(fù)載貴金屬納米顆粒的費(fèi)米能級(jí)不同,當(dāng)兩者接觸時(shí),由于費(fèi)米能級(jí)的差異,在兩者接觸的界面上會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng),促進(jìn)光生電子-空穴的分離和傳輸.同時(shí),部分貴金屬納米顆粒還具有等離子體效應(yīng)[11].利用等離子共振效應(yīng)還可以產(chǎn)生光熱效應(yīng),有效提高光催化表面溫度,加速光生電子-空穴的遷移和光催化反應(yīng)的進(jìn)行[12].因此,在半導(dǎo)體表面負(fù)載具有等離子體效應(yīng)的貴金屬納米顆粒,通過(guò)負(fù)載和光熱效應(yīng)的協(xié)同作用,也可以有效提高光催化效率.
本研究通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法制備了由CaWO4納米顆粒組成的微米球,再利用化學(xué)還原法在CaWO4微米球表面負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Pt納米顆粒,成功構(gòu)建了Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié),并以四環(huán)素為目標(biāo)反應(yīng)物進(jìn)行光催化性能評(píng)價(jià).這項(xiàng)工作將為探索光催化高效降解四環(huán)素體系提供理論指導(dǎo).
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 試劑與儀器
CaCl2,Na2WO4·2H2O,H2PtCl6·6H2O,NaBH4,CH3CH2OH均為分析純,購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.
D8 ADVANCE 型X射線衍射儀(XRD),德國(guó)布魯克公司;Thermo Kalpha 型X射線光電子能譜儀(XPS),美國(guó)賽默飛公司;Sigma 300型掃描電子顯微鏡(SEM),德國(guó)蔡司公司;FEI Tecnai F20型透射電子顯微鏡(TEM),美國(guó)FEI公司;UV3600型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis),日本島津公司;電化學(xué)工作站,上海辰華儀器有限公司;愛(ài)丁堡FLS980型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀,英國(guó)愛(ài)丁堡公司.
1.2 CaWO4微米球與Pt負(fù)載CaWO4微米球制備
分別量取30 mL的去離子水倒入兩個(gè)燒杯中,在磁力攪拌情況下,向其中一個(gè)燒杯中加入5 mmol CaCl2,記為溶液A.向另一個(gè)燒杯中加入5 mmol Na2WO4·2H2O,記為溶液B.攪拌30 min后,將B溶液緩慢倒入A溶液中.繼續(xù)攪拌30 min后,將混合溶液倒入100 mL的聚四氟乙烯反應(yīng)釜中,在160 ℃下反應(yīng)16 h.反應(yīng)結(jié)束后收集反應(yīng)產(chǎn)物,分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3次,最后在真空干燥箱中60 ℃干燥24 h.獲得的產(chǎn)物為CaWO4微米球,記為CWO.
不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例的Pt納米顆粒負(fù)載CaWO4微米球催化劑是采用化學(xué)還原法制備.將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的H2PtCl6·6H2O溶解在50 mL去離子水中.然后將適量的CaWO4微米球添加到氯鉑酸溶液中,并將混合物在室溫下劇烈攪拌1 h.再將適量的NaBH4添加到混合溶液中,Pt離子被還原為Pt納米顆粒負(fù)載在CaWO4微米球表面,形成Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié).將得到的Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié)分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3次,最后在真空干燥箱中60 ℃干燥24 h,獲得的產(chǎn)物即為Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié).在合成過(guò)程中,使用Pt的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%,0.3%,0.5%和0.7%,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例的Pt-CaWO4樣品表示為XPt-CWO(X=1,3,5和7).
1.3 光催化實(shí)驗(yàn)
光催化降解實(shí)驗(yàn)采用四環(huán)素模擬溶液,濃度為20 mg·L-1.量取100 mL的四環(huán)素溶液倒入燒杯中,然后稱取20 mg的催化劑加入溶液中,并進(jìn)行磁力攪拌.采用300 W氙燈作為模擬太陽(yáng)光的光源,距離降解溶液20 cm,將氙燈電流調(diào)節(jié)到15 mA,光照強(qiáng)度為458 mW·cm-2.先進(jìn)行暗吸附1 h,然后每隔15 min取4 mL溶液進(jìn)行離心,取上清液使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定四環(huán)素濃度.
1.4 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)
使用電化學(xué)工作站測(cè)量催化劑光電流響應(yīng)曲線和電化學(xué)阻抗譜.將一定質(zhì)量催化劑分散在無(wú)水乙醇中,超聲15 min.然后將分散的催化劑溶液滴涂在導(dǎo)電玻璃上,并在60 ℃進(jìn)行烘干,作為工作電極.采用Pt片電極作為對(duì)電極,Ag/AgCl作為參比電極,0.5 mol·L-1的Na2SO4溶液作為電解液,300 W氙燈作為模擬太陽(yáng)光的光源進(jìn)行測(cè)試.
2 結(jié)果與討論
2.1 光催化晶體結(jié)構(gòu)及表面元素價(jià)態(tài)
為了解樣品的晶體結(jié)構(gòu),對(duì)CWO和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Pt納米顆粒負(fù)載的CWO進(jìn)行XRD測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)圖1(a).可以看出,CWO為典型的四方晶系結(jié)構(gòu),其中18.6°,28.7°和47.1°處的衍射峰分別與四方相CaWO4的(101),(112)和(204)晶面匹配(JCPDS No.07-0210)[13].當(dāng)負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Pt納米顆粒后,所有負(fù)載樣品的XRD圖譜與CWO樣品一致,這是由于負(fù)載Pt質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少,無(wú)法檢測(cè)出來(lái).由于樣品中沒(méi)有觀察到雜質(zhì)峰的信號(hào),說(shuō)明合成的樣品中沒(méi)有其他雜質(zhì)相出現(xiàn).
催化劑表面的元素價(jià)態(tài)會(huì)影響光催化性能,通過(guò)XPS測(cè)試了CWO和5Pt-CWO樣品的表面元素價(jià)態(tài).選取位于284.6 eV的C 1s峰作為參考對(duì)XPS光譜進(jìn)行校正[14].圖1(b)為CWO和5Pt-CWO的XPS全譜.從圖中可以看出,CWO中存在Ca,W,O和C元素,5Pt-CWO中存在Ca,W,O,Pt和C元素.所有樣品中的C元素均來(lái)自測(cè)試過(guò)程中的表面污染.圖1(c)為Ca 2p的高分辨XPS譜,結(jié)合能位于346.40和349.87 eV處的兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)于Ca 2p軌道,表明Ca為+2價(jià)[15].圖1(d)為W 4f的高分辨XPS譜,結(jié)合能位于34.57和36.67 eV處的兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)于W 4f軌道,表明W為+6價(jià)[16].圖1(e)為O 1s的高分辨XPS譜,結(jié)合能位于529.88和531.56 eV處的兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)于O 1s軌道,表明O為-2價(jià)[17].圖1(f)為Pt 4f
的高分辨元素譜,從圖中可以看出,CWO中不存
不存在Pt元素的特征峰,5Pt-CWO中結(jié)合能位于70.46和73.85 eV處的兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)于Pt 4f軌道,表明Pt為0價(jià)[18].XPS結(jié)果進(jìn)一步證實(shí),Pt納米顆粒成功負(fù)載到CaWO4微米球表面.
2.2 光催化形貌及光熱性質(zhì)
光催化劑的微觀形貌對(duì)催化性能有重要影響.因此,通過(guò)SEM和TEM對(duì)CWO和5Pt-CWO的微觀形貌進(jìn)行了詳細(xì)表征.圖2(a)和2(b)為CWO的SEM形貌.可以看出,CWO為由納米顆粒組成的微米球,單個(gè)CWO微米球的直徑約5 um,組成微米球的CWO納米顆粒直徑約為200 nm.圖2(c)為CWO的TEM形貌,可以看出,CWO的晶格間距為0.311 nm,對(duì)應(yīng)的晶面為
(112)晶面.圖2(d)和2(e)為5Pt-CWO樣品的SEM形貌,即使在CWO表面負(fù)載了Pt納米顆粒,依然沒(méi)有改變CWO微米球的形貌.圖2(f)為5Pt-CWO樣品的TEM,可以明顯看出Pt納米顆粒均勻負(fù)載在CWO納米顆粒表面,Pt納米顆粒與CWO微米球緊密接觸,成功構(gòu)建金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié).其中CWO暴露的晶格間距為0.311 nm,Pt暴露的晶格間距為0.225 nm,分別對(duì)應(yīng)CWO的(112)晶面和Pt的(111)晶面.圖2(g)和2(h)分別為CWO和5Pt-CWO的EDS元素面掃圖,CWO中只含有Ca,W和O元素,而5Pt-CWO中Ca,W,O和Pt元素均勻分布.以上結(jié)果再次表明,Pt納米顆粒成功負(fù)載到CaWO4微米球表面,并且兩者形成金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié).
2.3 光催化光吸收性能及光熱性質(zhì)
為了探索Pt負(fù)載對(duì)CaWO4能帶結(jié)構(gòu)和光吸收性能的影響,測(cè)試了所有樣品的紫外-可見(jiàn)吸收光譜和價(jià)帶位置.如圖3(a)所示,CWO的光吸收帶邊為482 nm.當(dāng)在CWO上負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Pt納米顆粒后,隨著Pt負(fù)載量的增加,復(fù)合材料在可見(jiàn)光波段的光吸收性能逐漸增強(qiáng).當(dāng)Pt負(fù)載量為0.5%時(shí),5Pt-CWO的光吸收性能幾乎達(dá)到最佳.當(dāng)Pt納米顆粒負(fù)載量超過(guò)0.5%時(shí),光吸收性能幾乎不再增強(qiáng).圖3(b)顯示了CWO的帶隙,發(fā)現(xiàn)CWO的帶隙值為3.34 eV.圖3(c)為CWO的價(jià)帶譜,CWO的價(jià)帶位置為1.75 eV.因此,其導(dǎo)帶位置為-1.59 eV.Pt納米顆粒具有優(yōu)異的光吸收性能,因此負(fù)載Pt納米顆??梢蕴岣逤WO對(duì)可見(jiàn)光的吸收.此外,光熱效應(yīng)不僅可以加速光生電子-空穴對(duì)的分離,還可以促進(jìn)光催化劑表面反應(yīng)的進(jìn)行[19].為確定樣品的光熱效應(yīng),通過(guò)紅外熱成像儀測(cè)試了不加光催化劑的待降解四環(huán)素溶液、CWO和5Pt-CWO在氙燈照射下的表面溫度變化,結(jié)果見(jiàn)圖3(d).當(dāng)氙燈照射1 min后,待降解溶液的溫度由20.0 ℃上升至20.8 ℃.光照5 min后,溶液溫度上升至23.9 ℃.由此可知氙燈光照對(duì)溶液溫度幾乎沒(méi)有影響.當(dāng)氙燈照射CWO樣品時(shí),1 min后CWO樣品的表面溫度升至44.1 ℃,繼續(xù)光照,樣品表面溫度上升的速度逐漸放緩;5 min后,CWO樣品表面溫度為58.0 ℃.對(duì)于5Pt-CWO,其表面溫度在照射1 min后急劇升高至121.9 ℃.繼續(xù)光照,雖然樣品表面的升溫速度有所放緩,但升溫速度仍然大于CWO樣品;5 min后,5Pt-CWO的表面溫度升高到134.1 ℃,比CWO高76.1 ℃.由此可知,Pt-CWO異質(zhì)結(jié)具有優(yōu)異的光熱效應(yīng).
2.4 光催化降解四環(huán)素性能及機(jī)理
為評(píng)價(jià)材料的光催化性能,以四環(huán)素為目標(biāo)反應(yīng)物對(duì)所有樣品進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(a)所示.在空白對(duì)照組中不添加光催化劑,2 h內(nèi)四環(huán)素的降解效率為13.6%.在添加不同的光催化劑,并進(jìn)行1 h暗吸附后,在2 h內(nèi),CWO的降解率為60.1%.負(fù)載Pt納米顆粒后,復(fù)合樣品的光催化性能有一定的提升.隨著負(fù)載Pt納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,樣品光催化四環(huán)素降解性能逐漸增強(qiáng).當(dāng)負(fù)載Pt納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),5Pt-CWO樣品具有最大的降解效率,為79.8%.然而,隨著Pt納米顆粒負(fù)載量繼續(xù)增加,四環(huán)素的降解效率反而有所降低.由此可知,構(gòu)建Pt-CWO異質(zhì)結(jié)中Pt納米顆粒的最佳負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%.為了進(jìn)一步驗(yàn)證溫度對(duì)光催化四環(huán)素降解性能的影響,分別在室溫下和15 ℃下分別測(cè)試了5Pt-CWO樣品的光催化性能,結(jié)果如圖4(b)所示.在室溫下,5Pt-CWO樣品的降解效率為79.8%,而在15 ℃下的降解效率為67.9%.由此可知,溫度也是影響光催化性能的重要因素.溫度越高,光催化降解四環(huán)素效率越高.因此,5Pt-CWO樣品的光熱效應(yīng)能有效促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行,從而提高四環(huán)素的降解效率.
光生電子-空穴對(duì)的分離與轉(zhuǎn)移是影響光催化四環(huán)素降解性能的重要因素之一.為了研究在CWO樣品表面上負(fù)載 Pt納米顆粒對(duì)光生電子-空穴對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響,對(duì)CWO和5Pt-CWO的光電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了一系列表征.圖4(c)為兩個(gè)樣品的瞬態(tài)光電流響應(yīng),光電流強(qiáng)度越高,表明光生電子-空穴對(duì)的分離效率越高[20].當(dāng)負(fù)載Pt納米顆粒后,5Pt-CWO的光電流強(qiáng)度明顯高于CWO,表明Pt和CWO復(fù)合后形成金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),有利于光生電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和分離.圖4(d)為兩個(gè)樣品的阻抗譜,阻抗譜的圓弧半徑越小,電子轉(zhuǎn)移阻力越小,光生電子-空穴對(duì)轉(zhuǎn)移過(guò)程越快[21].從圖中可以看出,CWO樣品的半徑較大,而5Pt-CWO樣品的半徑明顯小于CWO的半徑,表明Pt和CWO復(fù)合后電子轉(zhuǎn)移界面電阻降低,有利于光生電子-空穴對(duì)遷移.圖4(e)和4(f)為兩個(gè)樣品的熒光壽命,光生電子-空穴對(duì)的熒光壽命越長(zhǎng),越有利于參與光催化反應(yīng)[22].CWO的平均熒光壽命為3.0470 ns,5Pt-CWO的平均熒光壽命為11.3554 ns.由此可知,在CWO上負(fù)載Pt納米顆粒,可以有效延長(zhǎng)光生電子-空穴對(duì)的壽命.上述結(jié)果表明,Pt-CWO異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建可以有效提高光生電子-空穴對(duì)的分離效率,有利于電荷轉(zhuǎn)移和提高電荷壽命,從而促進(jìn)光催化效率的提升.
結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,5Pt-CWO樣品的光催化四環(huán)素反應(yīng)可能的機(jī)理如圖5所示.反應(yīng)步驟
如下:首先,當(dāng)光照射在催化劑表面時(shí),半導(dǎo)體CaWO4吸收光子能量產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì),光生電子向CaWO4的導(dǎo)帶遷移,光生空穴向CaWO4的價(jià)帶遷移.由于在CaWO4表面負(fù)載了Pt納米顆粒構(gòu)建金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),因此CaWO4導(dǎo)帶上的光生電子繼續(xù)轉(zhuǎn)移到Pt納米顆粒,從而促進(jìn)了光生電子-空穴對(duì)的分離.然后,待降解的四環(huán)素吸附在光催化劑表面.最后,光生載流子與四環(huán)素發(fā)生反應(yīng),最終四環(huán)素被降解成CO2和H2O等小分子.
3 結(jié)論
通過(guò)在CaWO4微米球表面負(fù)載Pt納米顆粒,構(gòu)建Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié).由于Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié)具有顯著的光熱效應(yīng),在光照下Pt-CaWO4異質(zhì)結(jié)迅速上升至134.1 ℃.催化劑表面溫度的提升有助于促進(jìn)光生電子-空穴對(duì)的分離和加速催化反應(yīng)進(jìn)行.此外,由于Pt和CaWO4構(gòu)成金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),因此當(dāng)兩者接觸后,CaWO4上的光生電子迅速流向Pt,抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合,延長(zhǎng)了光生載流子的壽命.這些因素有利于CaWO4光催化性能的提升.以四環(huán)素作為目標(biāo)降解物進(jìn)行光催化降解測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明5Pt-CWO樣品在2 h內(nèi)具有最佳光催化降解效率.該研究結(jié)果為開(kāi)發(fā)高效的光催化抗生素降解體系和探索其催化機(jī)理提供了思路.
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(責(zé)任編輯 陸泉芳)
收稿日期:2024-06-18;修改稿收到日期:2024-09-20
基金項(xiàng)目:青海師范大學(xué)中青年科研基金資助項(xiàng)目(2024QZR10)
作者簡(jiǎn)介:潘龍凱(1993—),男,湖北鄂州人,講師,博士.主要研究方向?yàn)楣鉄峒{米材料制備及其光熱催化性能研究.
E-mail:1832616949@163.com