磷酸银/碳量子点杂化材料的制备及光催化性能研究

王江 吴宝双 宋春 唐云杰 韩帅

摘要：氮氧化物（NOX）是一种常见的气体污染物，光催化技术治理NOX具有绿色环保、条件温和等优点。本研究在利用热解法制备无烟煤碳量子点的基础上，采用共沉淀法构建了一种新型的磷酸银/碳量子点杂化材料，并研究该复合材料在可见光条件下催化降解NOX的性能，结果表明，其光催化效率相对于磷酸银提升约15%。

关键词：氮氧化物，光催化，杂化材料，磷酸银，碳量子点

近年来，我国多地频繁出现空气严重污染的雾霾天气，而氮氧化物（NOX）被认为是形成雾霾的重要因素之一[1]。在NOX污染物的各种治理技术中，光催化由于采用清洁的光能作为能源，同时具有二次污染小、条件温和的优点，因此在消除NOX污染方面备受青睐[2]。

在诸多光催化材料中，磷酸银在光降解环境污染物方面具有响应波长范围宽、降解效率较高的特点。不过，磷酸应仍存在光吸收能力较弱、光催化活性低等诸多问题[3]，而如果利用纳米材料掺杂的方法，通过“协同效应”，能够增强其光催化效率。碳量子点，又称碳点，作为一种新型的碳三维纳米材料，由于其优良的小尺寸效应及光电性能，在光学器件、复合材料等研究领域备受关注[4]。无烟煤作为一种廉价丰富的天然资源，含有大量的SP2碳结构，是一种优良的碳源。鉴于之前磷酸银/碳点杂化材料在光催化领域的研究仍鲜见报道，本研究尝试制备碳点掺杂磷酸银制备杂化材料，并应用于光催化降解气体污染物NOX。

1.实验原料与仪器：

无烟煤粉，购自河南百源环保科技有限公司;透析膜、二甲基甲酰胺、硝酸银、磷酸钠、氨水、乙醇等购自上海阿拉丁化学试剂公司。

可见光催化装置购自上海乔越仪器有限公司;采用美国的ESCALAB-250X射线衍射仪表征材料的衍射图谱。

2.实验过程

以无烟煤为碳源，通过热解法制备碳点。取9 g无烟煤粉放入三颈瓶内，并加入30 mL二甲基甲酰胺，超声10 min混匀。随后，升温到170oC发生热分解，加热搅拌反应3 h。随后将反应产物溶于水，透析12 h，冷冻干燥，得到无烟煤碳量子点。

将3 mmol硝酸银置于100 mL去离子水中溶解，随后加入20 mg无烟煤碳点，搅拌混合均匀后，逐滴添加稀氨水，直至形成浅黄色的溶液。在上述溶液中，逐滴加入10 ml Na3PO4（0.1 mol/L）溶液，劇烈搅拌5 min。离心分离得到呈黄色的磷酸银/碳量子点复合材料，洗涤、干燥得到成品。同时，在不添加碳点的情况下，制备得到磷酸银材料，作为对比。

关于可见光催化清除氮氧化物的实验，在可见光催化装置中，将磷酸银、磷酸银/碳量子点复合材料分别进行可见光催化降解NOX的对比实验研究，每隔5 min计算并记录NOX降解率，绘制相关曲线。

3.结果与讨论

关于所制备的复合材料，我们采用XRD对磷酸银/碳量子点复合材料进行分析表征（如图1）。结果表明，复合材料与磷酸银的衍射峰基本一致，这可能是由于碳量子点的含量较低（1%），其峰形被磷酸银掩盖所致。

另外，通过两种材料在可见光下光催化降解NOX曲线（图2）可知，复合材料的光催化性能明显优于磷酸银，在100 min光照条件下相对磷酸银能够提升15%的光催化效率。究其原因： 首先，碳点含有丰富的羧基、氨基等官能团，使碳点能够作为结构节点，参与在磷酸银内部发生键合作用，继而生成杂化材料;再者，碳点具有良好的吸光性能，能够拓展材料的光谱利用范围，继而激发杂化材料产生更多的电子-空穴对，增强其光催化降解污染物的能力。

4.结论

利用光催化技术治理NOX具有绿色环保、条件温和等优点。本研究首先利用价格低廉、来源广泛的无烟煤作为碳源制备无烟煤碳量子点;随后采用共沉淀法构建了一种新型的磷酸银/碳量子点复合材料杂化材料，并研究该复合材料在可见光条件下催化降解NOX的性能，结果表明，掺杂碳量子点能够提升其光催化效率约15%，具有良好的应用前景。

参考文献

[1]王禹苏，张蕾，陈吉浩，等. 大气中氮氧化物的危害及治理[J]. 科技创新与应用，2019，4（07）： 137-138.

[2]顾中月，黄宝琪，郝芮. 大气污染物NOx消除的研究进展[J]. 化学工程与装备，2021，4（04）： 237-238.

[3]刘金芳，孙榕尉，王文豪，等. 磷酸银复合材料在催化及抗菌方面的研究进展[J]. 广州化学，2020，45（3）： 52-60.

[4]柳樱华，吴继强，于娇娇. 碳点的性质，制备及其应用研究[J]. 山东化工，2021，50（02）： 75-79.

通讯作者：韩帅，河北工程大学材料科学与工程学院副教授，研究方向为纳米材料的构建与应用，

感谢：本项目受到河北省教育厅在读研究生创新能力培养资助项目（CXZZSS2020080）、河北工程大学大学生创新创业训练项目（202110076003）的资助