Ag2O/NaNbO3纳米复合材料的制备及其光催化性质

李 强，李世平，卢笑笑，马相东，韩 浩，王 康

(淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

构建复合催化剂是一种有效的解决光生载流子分离效率低的问题的手段。复合材料之间形成的内建电场能够驱动光生载流子向相反的方向运动，从而有效抑制它们的复合[4,5]。此外，异质结能够增强光吸收，可以更有效地利用太阳能。近年来科研工作者构筑了大量的异质结以提升Ag2O的光催化活性，例如ZnO/Ag2O[6]，FACs/Ag2O[7]，TiO2/Ag2O[8]等。此外，n型半导体NaNbO3由于化学稳定性高且具有独特的钙钛矿结构[9]，在光催化领域中具有较重要的应用前景。NaNbO3被广泛用来降解有机污染物和光解水制氢[10]。在本文中我们将NaNbO3纳米线与Ag2O复合，复合后的样品会形成p-n异质结，有效促进了光生载流子的分离效率，从而使催化活性显著提高。

1 实验内容

1.1 NaNbO3纳米线的合成

此次实验中所用到的试剂均为分析纯。采用水热法合成NaNbO3纳米线[11]，其制备过程如下：将1 g Nb2O5加入到NaOH溶液(10 mol/L)中磁力搅拌2 h，直至Nb2O5分散均匀得到前驱体。随后将该前驱体转移至100 mL 反应釜中，放入烘箱进行反应，反应温度设置为180℃，时间为120 min。反应结束后待烘箱温度自然冷却至室温后取出样品并用去离子水和乙醇多次清洗得到白色产物，将产物在80℃下干燥12 h后，放入马弗炉中600℃ 煅烧12 h，最终获得NaNbO3纳米线。

1.2 Ag2O/NaNbO3复合光催化剂的制备

采用共沉淀法制备Ag2O/NaNbO3复合材料，具体步骤为：取0.05 g NaNbO3纳米线置于50 mL去离子水中，超声30 min至NaNbO3均匀分散形成白色悬浊液，标为A；然后在剧烈搅拌下将0.29 g 硝酸银(AgNO3)加入到A中，避光搅拌1小时后标为B；将50 mL NaOH(0.2 M)溶液逐滴加入B中，剧烈搅拌1小时后，将黑色产物通过离心收集，并用无水乙醇和去离子水多次清洗，最后在60℃下干燥12小时。由于Ag2O在复合材料里的质量百分比为80%，所以把得到的催化剂标记为80%-Ag2O/NaNbO3。

1.3 样品表征

本文采用高分辨X射线衍射仪(XRD)研究样品的物相结构，使用铜靶，Kα发射(λ=1.54184 Å)，利用SU8220型场发射扫描电子显微镜(FESEM)对制备的样品进行形貌分析，用紫外可见分光光度计(UV-Vis)(Lamda950，USA)表征样品的光学性质。

1.4 光催化性能测试

通过在可见光下降解RhB溶液来探究催化剂的光催化活性，可见光光源由配备400 nm 滤光片的500 W氙灯来充当。将0.1 g催化剂加入装有100 mL(10 mg/L)的RhB溶液的烧杯中，避光搅拌30 min，以达到脱附吸附平衡。取4 mL上述溶液于离心管中，标记“0 min”，然后将烧杯放置于光化学反应器中，并打开光源，每隔10分钟取样一次，直到光照50 min。将上述离心管置于高速离心机中离心10分钟，结束后取上清液于石英比色皿中，在可见分光光度计中测量不同光照时间下RhB溶液在波长为554 nm下的吸光度并记录其数值。

2 结果与讨论

2.1 样品的物相分析

图1是纯Ag2O、NaNbO3和Ag2O/NaNbO3的XRD图。纯Ag2O具有较强的尖锐的衍射峰，说明产物结晶良好，衍射峰位置与标准PDF卡片(JCPDS card no. 41-1104)对比一致；纯相NaNbO3样品衍射峰尖锐且无其他杂质峰，结晶良好，纯度较高，其衍射峰与标准卡(JCPDS card no. 33-1270)衍射峰相吻合。同时，纯相Ag2O和纯相NaNbO3样品的衍射峰均在80%-Ag2O/NaNbO3中出现且位置相对应，无其它杂质峰出现，说明Ag2O/NaNbO3复合样品纯度较高。

图1 不同催化剂的XRD图

2.2 样品的形貌分析

图2(a)为NaNbO3的微观形貌，可以看出微观下NaNbO3呈现纳米棒状结构，长度约为几个微米，直径大约在300 nm；表面光滑。图2(b)所示为纯的Ag2O的微观形貌，可以看出Ag2O由较大的颗粒组成，尺寸约为100-700 nm。图2(c)为Ag2O/NaNbO3复合样品低倍下的微观形貌，很明显NaNbO3纳米线表面粗糙，表面沉积了大量的Ag2O纳米颗粒。图2(d)为Ag2O/NaNbO3复合样品高倍下的微观形貌，可以明显看到NaNbO3表面的Ag2O颗粒，尺寸约为20-50 nm。

图2 (a)纯NaNbO3的SEM图像，(b)纯Ag2O的SEM图像，(c)Ag2O/NaNbO3低倍放大SEM图像，(d)Ag2O/NaNbO3高倍放大SEM图像

2.3 样品的光学性质分析

图3(a)为不同样品的紫外可见吸收光谱图，图3(b)为Ag2O和NaNbO3的带隙图，光学吸收系数满足方程(αhv)n=A(hv-Eg)

图3 (a)不同催化剂的紫外-可见吸收光谱，(b)NaNbO3和Ag2O的带隙图

其中，α、h、ν、Eg和A分别为吸收系数、普朗克常数、光频率、禁带宽度和比例常数，当半导体的光跃迁方式为直接跃迁时，n= 2，当为间接跃迁时，n= 1/2[12]。从图3(a)可以看出Ag2O响应可见光区，而NaNbO3吸收边坐落在紫外光区，说明纯的NaNbO3只能响应紫外光区，然而当Ag2O负载到NaNbO3纳米线表面后能将光响应范围拓展至可见光区。以(αhv)2为纵坐标，hν为横坐标，做曲线的切线交于X轴，则X轴交点的横坐标即为样品的带隙值。从图3(b)可以得出Ag2O和NaNbO3的带隙分别为1.51 eV 和3.50 eV。

2.4 光催化活性

图4 (a)不同催化剂的光催化活性比较，(b)降解动力学曲线

图5 Ag2O/NaNbO3异质结中光生载流子分离示意图

3 结论

本文通过共沉淀法成功制备了光催化性能良好的Ag2O/NaNbO3复合光催化剂。XRD表征表明Ag2O/NaNbO3纯度较高，SEM结果说明大量的Ag2O纳米颗粒均匀分散在NaNbO3纳米线的表面，UV-vis吸收光谱表明在NaNbO3表面沉积Ag2O颗粒后，其吸收边被拓展到了可见光区域。光降解RhB测试表明，Ag2O/NaNbO3复合样品的光催化性能对比纯的催化剂有显著提高。复合样品光催化活性的增强可能归因于p-n结的形成，它能有效提高电子空穴对的分离效率，从而使催化剂活性大大提高。