Ag2OTiO2纳米异质结构的增强型紫外-可见光的光催化活性.docx

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1、波长为280nm的DEF1.S920荧光光谱仪用来探讨光激发光谱，紫外-可见分光光度计用来探讨漫反射紫外-可见光光谱,分析值域为200-65.纳米，硫酸钢用来做反射标准。除非另加说明，本文测试结果均来自中未作分析的测试结果样本为重量比率为1:1的对比样本试样。紫外-可见光照耀下光催化降解甲基橙：我们用甲基橙做测试样本模！物来探讨评价氧化银/二氧化钛光催化剂的性质和活性。在典型标准试验过程中，将20毫升甲基橙溶液(20毫克/升)和20毫克Ag2Q光催化剂粉末加入50室升的大烧杯中，在光照耀前，悬浮液先在无光、室温稳定条件下磁力搅拌30分钟，在染料和催化剂表面建立吸附-解喷析平衡。一个20瓦、最大

2、放射辐射波菠长为254纳米的紫外光灯用来供应紫外光光源和进行紫外光催化，3009万区的短喘弧灯供应可见光光源和进行可见光催化。在给定的光照时间间隔中，混合液离心分别除去催化剂粒子进行分析。剩残余甲基橙浓度的测定用紫外-可见光分光光度计(HitachiUV-3100)测定.结果与探讨：(n)七SU9U_图2所制备的二氧化钛纳米带、氧化银纳米粒子、涂布氧化银的二氧化钛纳米带的具体形态和微结构，用扫描电镜和高辨别透视电镜来探讨。图像2-a是所要制备的二氧化钛纳米带的典型扫描电镜图像,该纳米带有50-200纳米宽，长度可达数百微米.图像2-b是低倍扫描电镜图像，可以看到经过酸腐蚀后的二氧化钛纳米带表面

3、面相一样。这些结果示意，所制备的样本是一种由氧化银纳米粒子和二氧化钛纳米带组成的结晶良好的纳米级异质结构。Oooooo24680()UwPP0)1wwwO510152025Time/min图4评价Ag9Tio?纳米带的光催化降解性能，我们检测在紫外光照耀下水中甲基橙的分解作为时间的函数（图4）,作为对比，分解C）VER二氧化钛纳米带和氧化银纳米粒子在相同的试验条件下进行。如图4所示，AgQTiOz异质结构光催化剂在甲基橙的分解中在紫外光的照耀下表现出高活性，随着光照时间的增加，甲基橙染料的分解进展稳定并在在紫外光照耀下24分钟后完成。Ag2OZTiO2异质结构光催化剂的分解活性比二氧化钛纳米带

4、和氧化银纳米粒子的分解活性要高。经相同的试验时间，相应的分解率分别只有Ag2O,Ti2异质结构催化剂的20%和25%,经一阶线性组合，Ag2OZTiO2异质结构催化剂对甲基橙的降解率（0017亳克/分）比二氧化钛纳米带样本的降解速率（00035亳克/分）要快五倍。尽管氧化银纳米粒子和二氧化钛纳米带的光催化活性特别慢，但因为氧化银和二照耀后降解甲基橙溶液率只有9%令人惊异的是，我们发觉纯氧化银纳米粒子具有很好的光催化活性，24分钟可见光照耀后降解甲基橙溶液率为74%,Ag/TQ异质结构的光催化活性M屯氧化银纳米粒子稍好,相应的降解效率为80%因为AgzO/TiO?复合光催化剂在重量比为1：1状况

5、下重量只有氧化银粒子的一半。对匕拉屯氧化银纳米粒子，AgQ/Tio2异质结构在可见光下的光催化活性明显提高。所以，在二氧化钛纳米带和氧化银纳米粒子中，存在协同功能，可能是由于两者之间的异质结构效应。Wavelength(nm)图9是不同样本的紫外-可见光数据反应系统图。二氧化钛纳米带在380纳米处显示陡峭的汲取边。氧化银纳米粒子在200-650纳米范围内紫外-可见光照耀下，除由于带隙过渡具有的内在汲取带之外，显示出很强的光汲取性能，这使氧化银离子具有很好的可见光光催化活性.AgzO/TiO2异质结构的紫外-可见光谱在400-650纳米旁边显示出宽的可见光汲取带，紫外光区的汲取带可认定是钛-氧汲

6、取带。与纯二氧化钛纳米带相比，Ag2i?异质结构的汲取边红移至大约500纳米，带隙估计有2.4eV0Ag2OiO2异质结光催化剂在400纳米以上的汲取归因于氧化银纳米粒子的可见光敏化作用的存在。因为氧化银纳米粒子在可见光区具有宽的强汲取带.100图10图10显示的是不同氧化银含量的Ag9,Tio2纳米带的光催化活性在可见光辐射下的检测图。Ag2OXTiO2纳米带的可见光光催化活性随着氧化银的含量从8:1到1:4的增加而增加。当二氧化钛和氧化银的比率达到1:4时,AgX）/Tio2纳米带具有最高的光催化活性，M24分钟可见光照耀后降解（甲基橙）率为89%o该结果与数据反映系统中的结果一样，阐释了

7、可见光敏化后的氧化银纳米粒子提高了Ag2TiO2纳米带的可见光光催化活性。氧化银组分的增加明显提高了Agq/TQ纳米带的光催化活性。然而，重量比为1:8的Ag2OfTiOz纳米带的光催化活性比重量比为1:4的Agq/TiCh纳米带稍低。此时，AgQTio?纳米带在重量比为1:1、1:2、1:4和1:8状况下，都表现出比纯氧化银纳米粒子更好的可见光光催化活性。这可以用AgqTiO?异质结构间有能带匹配，使得二氧化钛纳米带表面的氧化银纳米粒子有较高的活性来说明。204060801001如Time/minOooooo24680()UO一ropal6d20406080()UOQepEQTimeZmin

8、020406080100120TimeZminOooooo24680()UOAePBJ685O204080100120TimeZmin图H为了探讨在紫外光和可见光辐射下Agq/TiO/异质结构的光催化活性的稳定性，反复用相同的样本经膜过滤分别后重复试验四次，如图11所示。缺憾的是，AgqEO洸催化剂在紫外光辐射下下重复应用后显示不稳定.AgzOTiOz异质结构的光催化活性随着重复次数增多而不断隔氐，96分钟四次重复利用后，AgzO/Tio2光催化剂对甲基橙的光催化降解效率只有60%。然而，Agq/TiO?光催化剂在可见光辐射下显示出稳定的光催化活性，如图11-b,四次重复利用后，其对甲基橙的光

9、催化降解效率没有明显的降低。30405060702degree(ne)A=SUc一20图12我们通过探讨在紫外-可见光辐射下，在重复漂白后的Ag2OZTi0?光催化剂的X-射线衍射图谱来查明上文提到的现象的缘由。从图12(0)中可以看到，AgzOZTiCh样本在紫外光辐射前由二氧化钛和氧化银以很好的结晶度组成。重复紫外光催化降解试验，银元素的相应波峰在第一次光催化降解试验后能在X-射线衍射图谱中观测到，如图12(1)所示。随着重复次数的增多银的量不断上升，同时氧化银的汲取峰持续减弱。四次循环过程后，氧化银的汲取峰几乎消逝(图12(4)所示)。这表明紫外光光催化降解试验中，氧化银相中银的结构发生

10、转变。我们也发觉纯氧化银纳米粒子在紫外光辐射下保持稳定.该试验结果示意：在二氧化钛存在状况下，B露在紫外光辐射下的氧化银结构被破坏。银元素的来源也可能是在紫外光辐射下通过二氧化钛纳米带的传导带电子的还原作用从氧化银相中获得。X-射线衍射图结论与重复光催化降解试验的结果一样，氧化银纳米粒子在提高AgqEo:异质结构的光催化活性方面扮演重要的角色。很多的探讨表明，分散在光催化剂基质表面的过渡金属及其氧化物的细颗粒，在N-型半导体上可充当电子陷阱。这里，AgzO/TiO?异质结构的光催化活性的提高，间接证明白氧化银纳米粒子上的电子陷阱。与纯二氧化钛纳米带相比，重复光催化降解试验后的Ag8Tio2纳米

11、带的X-射线衍射图谱的结果干脆证明白俘获粒子和光催化剂基质间的光电子转移。相比紫外光辐射下的X-射线衍射图结果，可见光照耀下Ag2TiO2样本中的氧化银和二氧化钛的峰强度和位置随着光催化降解时间的增加基本保持不变。这表明，紫外光辐射下的反应机理与可见光辐射下的反应机理有所不同。图13补充信息2中，Agq/TiO?异质结构出现了快速沉淀过程。氧化银作为纯化剂常常应用于污水中小颗粒悬浮物质的吸附和去除。这里，我们证明白氧化银纳米粒子本身带有过量负电荷（zeta电位约为31.24eV）,简洁汲取二氧化钛纳米带所带的正电荷。在氧化银纳米粒子和二氧化钛纳米带之间形成异质结构。传统的粉末光催化剂，如P-2

12、5,在浆系统后处理分别中有严格的限制。长宽比大的二氧化钛纳米带可以克服球形二氧化钛催化剂的缺点，很简洁从溶液中分别。然而,纯二氧化钛的分别须要困难的过程和很长的复原时间。Agq/Tio2异质结构在试验打算初期的一分钟内快速沉降，在底部形成灰色涂层。相应的，纯二氧化钛纳米带在试验限制在1小时时呈胶体悬浮态。对P牛奶状的P-25悬浮体在超过48小时内保持稳定。所以,Ag9Ti2光催化剂在重复光催化降解试验中很简洁复原，为其重复利用创建了有利的条件。为完全弄明白二氧化钛纳米带上的氧化银纳米粒子的负载效应，获得氧化银和二氧化钛能带更进一步的信息是很有必要的.基于上文结论，AgQTTi0?异质结构在紫外

13、-可见光辐射下的高光催化活性的机理如图13所示，相关反应公式如下：+,_Ag2O-rh+e(2)Ag2O+e-Ag+O2(3)hb+H2O-OH+H(4)e+O,+H7O-OH+OH-(5)在紫外光辐射下，依据公式1和2,二氧化钛纳米带和氧化银纳米粒子被激发出生和e-,依据公式4和5,二氧化钛和氧化银相互作用生成的电子和电子空穴与水反应生成活性羟基QH。正常状况下，大多数电子空穴对重组快速，纯二氧化钛纳米带的光催化效率低。在这里，二氧化钛纳米带表面的氧化银纳米粒子能有效地俘获电子。同时，氧化银纳米粒子和二氧化钛纳米带之间的异质结构有益于电子从二氧化钛纳米带向氧化银纳米粒子的传送。得到的电子与氧

14、化银纳米粒子反应，如公式3所示,还原氧化银中银离子。公式3在紫外光照耀下重复试验（图12）中由重复试验的X-射线衍射图结论得到证明。氧化银纳米粒子作为电子汲取体阻挡电子和电子空穴的重组，电子空穴能有效地氧化有机化合物，因而光催化反应能很大程度上得到提高.同时，依据公式3氧化银负载的光催化剂中产生的氧气能促进反应5产生更多的活性QH,还可以在紫外光辐射下提高光催化剂的活性。所以，Ag2OEo2异质结构紫外光催化活性的提高是以牺牲氧化银所产生的量子效率的提高为基础的。在可见光辐射下，氧化银由于其相对较窄的带隙(1.3eV),依据公式2,被激发出h+和e-,然而，AgzO/Tio2异质结构的光催化活

15、性比纯二氧化钛和氧化银纳米粒子的光催化活性要高，主要是因为氧化银纳米粒子和二氧化钛纳米带之间的异质结构和能带匹配。光生电子载体迁移的提高是因为Ag8Ti2异质结构间存在很少障碍。同时，这个迁移过程的热力学性能良好是因为氧化银导带和价带位于二氧化钛导带和价带之上，如图13-b所示。激发电子和电子空穴的寿命在转移过程中得到延长，产生更高的量子效率。因此，电子和电子空穴的重组概率被降低，大量电子集中在二氧化钛纳米带的表面，电子空穴位于氧化银纳米粒子上，参加光催化反应,分解有机污染物，因而光催化反应得到很大程度上的提高。尽管紫外光和可见光辐射下AgqTi(光催化剂的催化性能提高机理不同，AgqxTiO

16、z的异质结构是催化性能提高的首要因素。氧化银纳米粒子在紫外光照耀、二氧化钛激发电子存在状况下不稳定，且具有很强的还原性能。因此，AgzOEOz光催化剂在紫外光辐射下循环稳定性很差。众所周知，银纳米粒子在大多数环境中都能被缓慢氧化，在高氧气分压环境中加热会被快速氧化。一应当开发一种氧化银循环的简洁好用的方法。假如可能，基于多相异质结构的稳定系统，如AgqTi(或者经二氧化钛改性的氧化银阳极光电催化剂，应当得到应用，相关工作也正在进行中。结论：Agqi(纳米带异质结构通过将氧化银纳米粒子沉降在二氧化钛纳米带上的化学方法制备，我们用扫描电镜和高辨别透射电镜来描绘它的微结构特征。Agq/TiO?纳米带

17、异质结构是一种新型光催化剂，在紫外光和可见光辐射条件下分解甲基橙试验中，具有很高的光催化活性。X-射线衍射图、光致发光谱、数据反映系统结果证明，其分别在紫外光和可见光辐射下有两种不同的机理。在紫外光辐射下，氧化银纳米粒子作为电子汲取体俘获二氧化钛纳米带的价电子提高电子空穴的分别。二氧化钛纳米带的价电子空穴在表面起先汲取C)H还原成0H自由基。在可见光辐射下，二氧化钛表面的氧化银纳米粒子作为可见光活性组分通过AgzOZTiO?界面上流体力学活性和有效电子转移的协同作用提高Agq/TiCh异质结构的光催化活性。所以,经过一些金属氧化物的电子俘获和可见光的敏化作用性能改性的光催化剂，如AgzO/Tio2W2O3jNiOrandPd。形成的异质结构，将会是提高光催化活性的有效方法。