活性碳负载磷酸银光催化剂的制备及其光催化性能

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1、本科毕业论文题目：活性碳负载磷酸银的制备及其光催化性能 学院： 化学与化工学院 班级： 09级化学6班 姓名： 高 学 庆 指导教师： 王 俊 丽 职称： 讲 师 完成日期： 2013 年 06 月 05 日活性碳负载磷酸银光催化剂的制备及其光催化性能摘要：本法采用沉积转变法制备活性碳负载磷酸银的光催化剂。通过控制生成Ag3PO4的质量和加入活性碳的质量，可制得磷酸银的比例依次为10%50%的活性碳负载磷酸银光催化剂。之后以甲基橙的光催化降解为模型，评价了不同含量磷酸银的活性碳负载磷酸银光催化剂的光催化性能。结果表明，当光催化剂活性碳负载磷酸银的用量为1.1 g/L时，经60 min的模拟可见

2、光光催化反应，30 mg/L的甲基橙的脱色率可达83%。其中Ag3PO4含量为50%的活性碳负载磷酸银光催化剂的光催化效果最好。关键词：活性碳；磷酸银；光催化；可见光目 录1 前言12 实验部分2 2.1 试剂与仪器2 2.2 催化剂的制备2 2.2.1 纳米磷酸银光催化剂的制备2 2.2.2 活性碳负载磷酸银光催化剂的制备2 2.3 催化剂的光催化降解实验33 结果与讨论3 3.1 磷酸银的制备原理3 3.2 活性碳负载磷酸银光催化剂的光催化活性44 结论5参考文献：5致谢71 前言作为治理环境的一种新兴方法，光催化技术受到了广泛关注。光催化技术是在20世纪70年代发展起来的基础纳米技术，在

3、我国我们常常用光触媒这个通俗词来代替光催化剂。光催化反应1 ，顾名思义，就是在光的照射下，材料表面通过发生电子的激发和转移，光子所携带的能量转化成为电子所携带的化学能，这样就形成了具有强氧化或者强还原能力的各种活性基团，这些活性基团能将吸附在材料表面上的有机物质分解破坏，转变成二氧化碳和水，从而就达到了清洁的目的；这些活性基团还能杀灭或破坏材料表面的细菌和病毒，从而达到清除污渍、抑菌、除臭、抗菌的功能。从Fujishima和Honda2发现在紫外光照射的条件下，TiO2作为光阳极时，可分解H2O为H2和O2之后， TiO2的纳米半导体光催化氧化技术在净化空气、治理污染等领域得到了广泛的运用3-

4、5。然而，由于通常用的宽带隙光催化材料TiO2的量子化效率低（约4%）6且光催化反应只能在紫外光条件下才可进行7，这些都极大的限制了它对太阳光的利用。所以，探索和开发利用太阳光的新型高效半导体光催化剂，成了当今研究的热点问题之一。目前已发现很多能吸收可见光的光催化剂，比如氧化亚铜(Cu2O)8,9，磷酸银( Ag3PO4)10-13等。其中，磷酸银是一种重要的半导体材料，其优异的可见光光催化活性已经被Yi课题组14,15研究发现；Umezawa Naoto等16则应用密度泛函理论计算分析得出了磷酸银有较好可见光光催化活性的原因。磷酸银光催化剂非常具有最应用前景，但因为银的成本比较高，而且还存在

5、降解活性较慢的局限。近几年来，在Ag3PO4作光催化剂的领域进行了广泛的研究，其中有半导体光催化剂的负载、离子掺杂等方案。Ye J H等17用不同的方法制备出具有不同晶型的纳米磷酸银，并在模拟太阳光氙灯照射的情况下，用磷酸银光催化剂对水中有机污染物降解进行了研究。结果表明，用醋酸银（CH3COOAg）和磷酸氢二钠（Na2HPO4）为原料，可直接制得的具有菱方十二面体晶型的磷酸银，这种磷酸银的光催化活性最好；用硝酸银（AgNO3）、氨水（NH3H2O）和磷酸氢二钠（Na2HPO4），可合成的立方磷酸银，这种磷酸银的光催化性能次之。王韵芳等18 则用沉淀转换法19制备出了磷酸银，并在模拟太阳光的氙

6、灯照射下，考察了其对水中有机污染物的光催化降解性能，同时采用XRD、UV-Vis及XPS对其进行了表征，对其光催化机理进行了较详细的分析，这些为磷酸银处理水中有机污染物的实际应用提供了依据。但是，实践发现纯的磷酸银很难回收再利用，并且处理浓度高的有机污染物时效果不太明显。所以，提高磷酸银处理浓度高的有机污染物的光催化效能是目前研究的主要方向。本文通过在原料中加入活性碳20-22，其具有稳定的化学性质、非常发达的孔隙结构、巨大的比表面积，制备出活性碳负载磷酸银的新型光催化剂，以增强磷酸银的光催化活性。并通过在模拟太阳光氙灯的照射下，探究了其对高浓度有机物催化脱色效果。2 实验部分2.1 试剂与仪

7、器试剂：硝酸银（天津市风船化学试剂科技有限公司）碳酸氢钠（中国医药公司北京采购供应站）磷酸氢二钠（北京红星化工厂）活性碳（天津市化学试剂批发公司）甲基橙（天津市化学试剂一厂）以上试剂均为分析纯。仪器：JJ增力电动搅拌器（菏泽市石油化工学校设备厂）KQ5200DE型数控超声波清洗器（江苏省昆山超声波仪器有限公司）80-2离心机（菏泽市石油化工仪器设备厂）GZX-9076 MBE 电热数显恒温鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）FA1104电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）722E型分光光度计（上海光谱仪器有限公司）短弧氙灯/汞灯稳流电源（模拟可见光灯）（北京畅拓科技有限公司）分析天

8、平（上海天平仪器厂）2.2 催化剂的制备2.2.1 纳米磷酸银光催化剂的制备向100 mL 0.1 mol/L的硝酸银（AgNO3）溶液中缓慢滴加60 mL 0.1 mol/L的碳酸氢钠（NaHCO3）溶液，得到淡黄色浑浊液碳酸银（Ag2CO3），滴加完毕后，于室温下继续搅拌2.5 h；然后，再将33 mL 0.1 mol/L磷酸氢二钠（Na2HPO4）缓慢滴入上述浑浊液中，既得到金黄色的磷酸银（Ag3PO4）沉淀，滴加完毕后，于室温下继续搅拌5 h。所得磷酸银沉淀用蒸馏水洗涤至中性。最后，再在80 下干燥24 h，即得磷酸银（Ag3PO4）光催化剂。2.2.2 活性碳负载磷酸银光催化剂的制备

9、分别在108 mL、86 mL、65 mL、43 mL、22 mL ,0.1 mol/L的硝酸银（AgNO3）溶液中加入1.5 g、1.8 g、2.1 g、2.4 g、2.7 g活性碳并于室温下搅拌1 h，然后再向上述溶液分别缓慢加入60 mL、50 mL、40 mL、25 mL、15 mL, 0.1 mol/L的碳酸氢钠（NaHCO3）溶液，滴加完毕后继续搅拌3.5 h；最后，分别加入36 mL、29 mL、23 mL、15 mL、8 mL ,0.1 mol/L 磷酸氢二钠（Na2HPO4）溶液，滴加完毕后，继续搅拌6 h。所得样品用蒸馏水洗涤并在80 下干燥24 h，便得Ag3PO4比例分

10、别为50%，40%，30%，20%，10%的活性碳负载磷酸银的光催化剂。2.3 催化剂的光催化降解实验在500 W的可见光（高压氙灯）照射下，每次实验将100 mg的催化剂样品加到90 mL , 30 mg/L的甲基橙溶液中,反应在包有铝箔纸的烧杯中进行,以防止光的泄漏。在光催化过程中，每隔10 min取样一次，并立即离心以除去光催化剂，取上层清液，有机染料甲基橙的浓度变化用分光光度法测定。用722E型分光光度计在甲基橙的最大吸收波长max = 464 nm处测定其吸光度值，按照以下的公式计算脱色率,并以甲基橙的降解率来表征活性碳负载磷酸银光催化剂的光催化活性。脱色率式中D%为脱色率，A0、A

11、分别代表染料降解反应前后的吸光度值3 结果与讨论3.1 磷酸银的制备原理沉淀转化法制备硝酸银的反应方程式如下：2 AgNO3 + NaHCO3 Ag2CO3+ NaNO3 + HNO33Ag2CO3 + 2Na2HPO4 2Ag3PO4 + 2Na2CO3 + CO2+ H2O3.2 活性碳负载磷酸银光催化剂的光催化活性下图为磷酸银含量不同的活性碳负载磷酸银光催化剂在不同时间下在可见光（高压氙灯）照射下对30 mg/L甲基橙的光催化降解情况。 图.活性碳负载磷酸银的可见光光催化活性Fig.The visible light photocatalytic activity of activate

12、d carbon loaded silver phosphate.从图可以看出，含磷酸银比例不同的活性碳负载磷酸银光催化剂要比纯的磷酸银光催化剂的催化效果要好。其中，4号光催化剂的的活性碳负载磷酸银的光催化效果最好，即磷酸银含量为50%。4 结论 采用沉积转换法制备的活性碳负载磷酸银的新型可见光催化剂，以中性条件下水中污染有机物的降解考察了活性碳负载磷酸银的光催化性能，并对其进行了物理、化学特性表征和活性物种测试，得出以下结论：（1）本法采用制备简单的沉积转换法制备出活性碳负载磷酸银光催化剂。其中，由108 mL,0.1 mol/L的硝酸银溶液，1.5 g活性碳，60 mL, 0.1 mol/

13、L碳酸氢钠和36 mL,0.1mol/L磷酸氢二钠在常温下制备得到的磷酸银含量为50%活性碳负载磷酸银光催化剂的光催化效果最好。（2）在模拟太阳光照射下，1.1 g/L活性碳负载磷酸银光催化剂，经60 min可使初始浓度为30 mg/L的甲基橙的降解率达80%左右，比同等条件下纯磷酸银要的催化效果要好。参考文献：1 黄垒, 彭峰. 可见光光催化机理研究进展J. 工业催化学报, 2007, 15(3): 5-11.2 FujishimaA，HondaK. Electrochemical Photolysis of water at a semiconductor electrode, Natur

14、e, 1972, 238(5358):37-38.3 赵文宽,覃榆森,方佑龄,等.水面石油污染物的光催化降解漂浮负载型TiO2-光催化剂的制备J.催化学报, 1999, 20(3): 368-372.4 宋绵新，周天亮，王峰 TiO2光催化剂改性掺杂与负载技术研究进展J材料导报，2006,20(8):16-20.5 董振海,胥维昌.光催化降解染料废水的现状及展望J.染料与染色, 2003, 40(3): 175-176, 178.6 Michael R H, Scot T M, Choi W, et al. J. Chem. Rev., 1995, 95:69-96.7 葛飞，戴友芝，罗卫玲T

15、iO2光催化氧化技术在环保领域的研究新进展J化工进展，2001(12):20-22.8 宋继梅, 张小霞, 等. 立方状和球状氧化亚铜的制备及光催化性能J. 应用化学, 2010, 27(11): 1328-1333.9 赵彬, 谢斌. 氧化亚铜形貌及其颗粒度对光催化性能的影响J. 四川理工学院学报(自然科学版), 2012, 25(1): 35-37.10 韩秀秀, 何文, 等. 磷酸银纳米粒子的合成及机理分析J. 山东陶瓷, 2010, 33(1):26-28. 11 谢东.溶液酸度与Ag 3 PO4沉淀生成及溶解关系的讨论J. 大学化学, 2011, 26(2):73-74. 12 段丽

16、萍.磷酸体系的平衡计算及磷酸银生成条件的探索J. 阴山学刊, 2007, 21(2):61-63. 13 王岩，王长平，林伦磷酸盐抗菌粉体的研究及应用J硅酸盐通报，2004(3)：91-93.14 Yi Z G, Ye J H, Kikugawa N, et al. An or thophosphate semiconductor with photo oxidation properties under visible-light irradiationJ.Nature Mater,2010,9:559-564.15 Yi Z G, Withers R L, Liu Y.A two-step

17、 approach towards solar driven waters plittingJ. Electro chem Commun,2011,13:28-30.16 Umezawa N, Shuxin O, Ye J H, Theoretical study of high photocatalytic performance of Ag3PO4 J. Phys. Rec. B, 2011,83: 035202-1-8.17 Ye J H, et al. Facet Effect of Single-Crystalline Ag3PO4 Sub-microcrystals on Phot

18、ocatalytic Properties.J.Am.Chem.Soc.2011.133.6490-6492.18 王韵芳, 樊彩梅.Ag3PO4的可见光光催化性能及机理分析J. 无机化学学报.2012,28(2):347-351.19 马培燕，吴燕一种高效可见光催化剂磷酸银及其制备方法：中国，专利号P201010516084.6,2011-01-12.20 丁海燕,王玉萍,彭盘英.负载二氧化钛催化剂的制备与性能J.南京师大学报(自然科学版),2004,27(1):63-67.21 Matos J.Laine J,HerrmannM J.Effectof the type of activat

19、ed carbons on the photon catalytic degradation of aqueous organic pollutants by UV-irradiated titanicJ.Journal of Catalysis, 2001, 200(1): 10-20.22 Huang C P, Fu P L. Treatment of Arsenic(V)-containing Water by the Activated Carbon Process J. J. Water Pollution Control Fed.1984, 56(3): 233241.Prepar

20、ation and Photocatalytic Properties of Activated Carbon Loading Silver Phosphate CatalystAbstract: the method using optical catalyst preparation activated carbon loading silver phosphate deposition conversion method. By controlling the production and quality of Ag3PO4 with activated carbon quality,

21、can get the silver phosphate ratios were activated carbon 10%50% supported silver catalyst phosphoric acid. The photocatalytic degradation of methyl orange as a model, the photocatalytic performance evaluation of activated carbon with different content of silver phosphate load phosphate silver catal

22、yst. The results show that, when the light catalyst supported on active carbon silver phosphate content was 1.1 g/L, the visible light photocatalytic reaction in 60 min, 100 mg/L methyl orange degradation rate reached 63%. The content of Ag3PO4 was the best photocatalytic effect 50% activated carbon

23、 loading silver phosphate catalyst.Keywords: activated carbon; silver phosphate; photocatalysis; visible light8致 谢经过三个月的修改和总结，本次毕业论文已经接近尾声，作为一个本科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促和指导，以及一起工作的同学们得帮助，想要完成这个论文是不可能的。在论文的写作过程中，得到了赵强老师的亲切关怀和耐心指导。每次遇到难题，我最先做的就是向赵老师求助，而赵老师不管多忙，总会抽空找我面谈，然后一起商量解决的办法。赵老师平日里工作繁多，但我做毕业论文的每个阶段，从选题到查阅资料，实验的设计和操作，论文的修改，论文格式的调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。在此谨向赵老师致以诚挚的谢意。同时也谢在整个毕业期间和我密切合作的伙伴，和曾经在各个方面给予过我帮助的老师和同学。