可见光响应的V2O5/TiO2膜层的制备及光催化性能研究

摘要：在酸性NH4VO3溶液中对微弧氧化TiO2膜进行水热煅烧处理，制备了V2O5/TiO2复合膜。研究了水热煅烧处理对膜层的相组成和形貌的影响，并分别通过在紫外光和可见光照射下对亚甲基蓝的降解，考察了膜层的光催化活性。结果表明：经过水热煅烧处理，颗粒状和团簇状的V2O5在TiO2膜层表面生成，使膜层不仅在紫外光照射下的光催化活性得到了明显的改善，而且实现了可见光响应，在可见光照射下具有优异的光催化活性。

关键词：V2O5/TiO2膜层;光催化;可见光响应

0引言

TiO2由于具有廉价、化学稳定性好、无毒、耐光腐蚀和较高的光催化活性等特点，在污水中有机物的降解领域显示出巨大的优势[1-3]。然而，纯TiO2的带隙能较宽，只能吸收紫外光，并且光生电子- 空穴对极易复合。V2O5是一种层状结构的半导体材料，带隙窄（Eg=2.3eV）[4]，光响应范围宽，能够被波长小于605nm的可见光激发，同时化学性质稳定，在光催化领域得到了较为广泛的应用。本文采用水热煅烧的方式，对微弧氧化TiO2膜层进行后续处理，制备了V2O5/TiO2复合膜层，并研究了膜层的光催化性能。

1     实验

1.1  膜层的制备

首先，制备微弧氧化膜层，标记为MAO-TiO2膜，具体工艺参数如下：电解液的成分为0.05mol/L的Na3PO4;电源参数为正压350V，负压-40V，频率700Hz，占空比0.3;处理时间为3min。然后，将MAO-TiO2膜进行水热和煅烧处理，标记为MAO-H-V2O5/TiO2膜，具体工艺参数如下：将0.1mol/L的HNO3溶液缓慢滴入100mL浓度为0.01mol/L的NH4VO3溶液中，并不断搅拌，直到溶液的pH值达到2～3之间;将配置好的溶液倒入水热反应釜中，然后再将MAO-TiO2膜置于其内，200℃下保温10h;最后将水热处理之后的膜层在500℃下煅烧3h。

1.2  光催化实验

光催化降解实验以10mL浓度为10mg/L的亚甲基蓝水溶液为模型污染物。紫外光源选用功率为40W、主波长为365nm的紫外灯。可见光源采用功率为500W、主波长为417nm的高压汞灯，使用滤光片将400nm以下的紫外光过滤掉。降解时间为120min。

2     结果和讨论

2.1  相组成分析

MAO-TiO2膜和MAO-H-V2O5/TiO2膜的XRD图谱如图1所示。两图中Ti的衍射峰均来自于Ti基体。经水热- 煅烧处理之后，膜层中出现了V2O5相，是由于在随后的水热反应过程中，由于溶液的pH值在2～3之间，NH4VO3将发生以下反应[5]：

V2O·5xH2O依附在膜层表面逐渐形核和长大。在水热之后的煅烧过程中，V2O·5xH2O逐渐脱水而转变为V2O5相。

（a）MAO-TiO膜;（b）MAO-H-V O/TiO膜

2.2形貌分析

MAO-TiO2膜和MAO-H-V2O5/TiO2膜的表面形貌如图2所示。从图中可以看出，MAO-TiO2膜表面为典型的微弧氧化的多孔形貌，经过水热-煅烧处理，微弧氧化膜层表面生成的V2O5的形貌为颗粒状和团簇状。

（a）MAO-TiO2膜;（b）MAO-H-V2O5/TiO2膜（低倍）

2.3光催化活性

MAO-TiO2膜在紫外光照射下以及MAO-H-V2O5/TiO2膜在紫外光和可见光照射下对亚甲基蓝的降解率如图3所示。由图可知，在紫外光照射下，MAO-TiO膜和MAO-H-V O/TiO膜对亚甲基蓝的降解率分别为31%和91%;在可见光照射下，MAO-H-V2O5/TiO2膜对亚甲基蓝的降解率为92%。经过水热- 煅烧处理之后，膜层不仅在紫外光照射下的光催化活性得到了明显的改善，而且实现了可见光响应，在可见光照射下具有优异的光催化活性。这一方面得益于V2O5窄的带隙能，另一方面得益于光生电子和空穴的有效分离。

3     结论

对MAO-TiO2膜进行水热煅烧处理，制备了MAO-H-V2O5/TiO2膜。利用XRD和ESEM考察了水热煅烧处理对膜层的相组成和形貌的影响，并分别通过在紫外光和可见光照射下对亚甲基蓝的降解，考察了膜层的光催化活性，得到如下结论：

（1）   经过水热煅烧处理，V O在MAO-TiO膜层表面生成。

（2）   经过水热煅烧处理，膜层不仅在紫外光照射下的光催化活性得到了明显的改善，而且实现了可见光响应，在可见光照射下具有优异的光催化活性。

参考文献：

[1]   Chen H.W.，Ku Y.，Kuo Y.L.Effect of Pt/TiO2characteristics on tem-poral behavior of o-cresol decomposition by visible light-induced photocatalysis[J].Water Research，2007，41（10）：2069–2078.

[2]   Kosowska B.，Mozia S.，Morawski A.W.，et al.The preparation of TiO2-nitrogen doped by calcination of TiO2·xH2O under ammonia atmosphere for visible light photocatalysis[J].Solar Energy Material&Solar Cells，2005，88（3）：269-280.

[3]   徐東芝，王美婷，李战军.Ce3+掺杂介孔TiO2纳米粉末的水热制备及其光催化性能[J].中国陶瓷，2015，51（7）：24-31.

[4]   Yan B，Liao L，You Y，et al.Single-Crystalline V2O5Ultralong Nanorib-bon Waveguides.Advanced Materials，2009，21（23）：2436-2440.

[5]   Li B，Xu Y，Rong G，et al.Vanadium pentoxide nanobelts and nanorolls：from controllable synthesis to investigation of their electrochemical properties and photocatalytic activities.Nanotechnology，2006，17（10）：2560-2566.

作者简介：

罗强（1981-），男（汉族），山东滕州人，博士，任职于武汉轻工大学，讲师，研究方向：光催化材料。

湖北省教育厅科学研究计划指导性项目（B2018079），项目名称：可见光响应的V2O5/Ti3C2复合光催化剂的可控制备及光催化性能研究