直接沉淀法制备Ag3PO4/α-Fe2O3光催化剂及降解亚甲基蓝

高 雅，韩成良，张凌云，邓崇海，董灿灿

(1.合肥学院 分析测试中心，合肥 230601；2.合肥学院 能源材料与化工学院，合肥230601)

近年来，轻工业的发展获得了巨大进步，但对环境造成的污染越来越严重.保护和改善生态环境已变成可持续发展中的重中之重.半导体光催化技术以其耗能低、无二次污染、效率高等显著优点，成为整治和缓解生态环境问题最有效的方法和对策之一[1-4].传统的半导体材料可见光利用率低，研究者发现通过复合物之间形成异质结结构或者在半导体材料中掺杂其他元素可以促进其光生电子与空穴的分离，提高光生电荷载流子的迁移效率，从而获得高催化活性的半导体光催化材料[5-6].

其中Ag3PO4光催化材料具有极强的可见光催化性能，合成简单，受到了广泛研究[7-9].然而Ag3PO4易被光腐蚀、微溶于水、稳定性较差，这限制了其实际应用能力.赤铁矿结构的α-Fe2O3禁带宽度窄(Eg=2.1eV)，可吸收超过40%的太阳光中的能量，化学稳定性高，耐光腐蚀，但由于自身晶格结构所限，其光催化时光生电子与空穴容易复合导致其光催化效率低[10-13].

因此，基于复合物材料形成异质结结构来提高光催化性能的特性，本文通过简单地直接沉淀法将Ag3PO4和α-Fe2O3光催化剂进行复合改性研究，通过XRD、SEM、FT-IR及UV-Vis等手段对催化剂的结构、形貌、性质进行表征.并对亚甲基蓝进行催化降解，研究不同Ag3PO4摩尔分数的Ag3PO4/α-Fe2O3复合催化剂的催化活性.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

六水氯化铁、氢氧化钠、硝酸银、十二水磷酸二氢钠、聚乙烯吡咯烷酮、无水乙醇、亚甲基蓝(均为分析纯)、实验用水为去离子水.

X射线衍射仪(TD-3500，丹东通达公司)；扫描电子显微镜(SU8010，日本日立 公司)；傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet iS 50+ Contiuum，美国Thermo Fisher公司)紫外可见分光光度计(V-650，日本Jasco公司).

1.2 Ag3PO4/α-Fe2O3复合光催化剂的制备

取1 mmolNa2HPO4·12H2O溶于60 mL去离子水中，再加入一定量的聚乙烯吡咯烷酮超声混合均匀，得到溶液A.取1 mmolAgNO3溶于30 mL去离子水中，再加入一定量的自制α-Fe2O3粉体，超声混合均匀，得到溶液B.75 ℃避光搅拌下，将溶液B逐滴滴加到溶液A中，滴加完成继续避光反应1 h，最后再用水跟乙醇各洗涤3次，干燥后得到Ag3PO4/α-Fe2O3复合粉体.通过改变反应物的量，制备出不同复合比的Ag3PO4/α-Fe2O3复合光催化剂.

1.3 光催化降解实验

采用亚甲基蓝作为染料，研究催化剂的光催化活性.取5 mg/L的新配置的亚甲基蓝溶液100 mL，加入30 mgAg3PO4/α-Fe2O3复合光催化剂，避光搅拌30 min，使催化剂与染料达到吸附和脱附平衡，以氙灯为光源模拟太阳光进行光催化性能测试，每隔5 min取溶液5 mL离心处理后用紫外-可见分光光度计检测其吸光度.

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1为Ag3PO4、Ag3PO4/α-Fe2O3和α-Fe2O3的XRD图谱.从图1中可以看出，Ag3PO4在2θ为20.4°、29.5°、33.3°、36.5°、42.3°、47.7°、52.7°、54.9°、57.4°、61.6°等位置出现衍射峰，与简单立方晶体磷酸银标准图谱JCDS(06-005)的所有衍射峰都一一吻合，同时衍射图谱中并没有出现其他不必要的杂峰，这表示磷酸银的纯度较高.从衍射峰尖锐的峰型和较窄的半高宽可以看出Ag3PO4的结晶度良好.α-Fe2O3在2θ为24.14°，33.15°，35.61°，49.48°，54.09°，62.45°，63.99°处的衍射峰对应于六方相α-Fe2O3(JCPDS NO.33-0664).而在Ag3PO4/α-Fe2O3复合物的图谱中可以清楚的看到Ag3PO4和α-Fe2O3的特征峰，这表明最终制备的复合物就是由Ag3PO4和α-Fe2O3组成，且图谱中并没有出现其余的杂峰，说明所得的复合物纯度较高.

图1 纯Ag3PO4、α-Fe2O3和Ag3PO4/α-Fe2O3复合物的XRD图谱

2.2 SEM分析和EDS分析

图2为纯α-Fe2O3和Ag3PO4/α-Fe2O3复合物的SEM图.由图2(A)可以看出，α-Fe2O3为表面光滑的六边形片状结构；由图2(B)可以看出，Ag3PO4为无规则球状颗粒，粒径较小，其与α-Fe2O3复合后增加了与反应目标物的接触面积，从而提高了光催化剂的催化效率.

图2 纯α-Fe2O3和Ag3PO4/α-Fe2O3复合物的SEM照片

图3为Ag3PO4/α-Fe2O3复合物的能量色谱图(EDS).从图3中可以看出，所测样品由Ag、P、O、Fe四种元素组成，由此可以得出材料是Ag3PO4/α-Fe2O3复合物.而在EDS图谱中还出现了Pt和C这两个多余元素，Pt的出现是由于为了提高样品测试时的导电性，而对样品进行了喷金处理，C元素是制备测试样品时使用了导电碳胶导致.

图3 Ag3PO4/α-Fe2O3复合物的EDS谱

2.3 FT-IR分析

图4 Ag3PO4、α-Fe2O3和Ag3PO4/α-Fe2O3复合物的红外光谱图

2.4 光催化性能分析及稳定性

图5为Ag3PO4/α-Fe2O3复合物对亚甲基蓝的光催化降解效率，由图5中可以看出，亚甲基蓝的自降解率比较低，因此可以不考虑染料自降解因素.与纯的α-Fe2O3和Ag3PO4相比，Ag3PO4/α-Fe2O3复合物的光催化活性大幅提高，当 Ag3PO4摩尔分数为50%时，光催化效果最佳，光催化降解40 min时，降解率高达97%.由此可见，Ag3PO4/α-Fe2O3复合催化剂可以有效降解亚甲基蓝，催化活性得以提高主要是由于复合催化剂中Ag3PO4和α-Fe2O3的界面上形成了异质结构，有效地促进了光生载流子的分离，从而提高了光催化活性.

图5 亚甲基蓝染料的降解图G:亚甲基蓝自降解光催化效率以及Ag3PO4/α-Fe2O3复合物对亚甲基蓝的光催化降解效率; (Ag3PO4的摩尔分数为：B:50%; C:67%; D:33%; E:100%; F:25%; H:20%; I:0%)

通过对Ag3PO4/α-Fe2O3复合光催化剂循环使用3次来测试其催化性能的稳定性.由图6可以看出，将复合光催化剂循环使用3次后，40 min内其对亚甲基蓝的光催化降解率从97%依次下降至79%和51%，可能的原因是部分Ag3PO4被还原为了单质银，从而复合光催化剂的活性也相应减弱.因此，后续需着重研究催化剂的重复利用性能.

图6 Ag3PO4/α-Fe2O3复合物循环光降解实验

3 结 语

本文采用直接沉淀法快速简易的制备了Ag3PO4/α-Fe2O3复合光催化剂，利用XRD、SEM、EDS、FT-IR等表征手段对其进行了表征.在模拟太阳光照射下，通过不同比例的Ag3PO4/α-Fe2O3复合光催化剂对亚甲基蓝进行光催化实验，得出当Ag3PO4摩尔分数为50%时，光催化效果最佳，光催化降解40 min时，降解率高达97%，同时对其进行催化性能稳定性探究得出，复合光催化剂循环使用3次后，光催化剂的活性也相应减弱，需进一步提高催化剂的重复利用性能.