王江 吳寶雙 宋春 唐云杰 韓帥
摘要:氮氧化物(NOX)是一種常見的氣體污染物,光催化技術(shù)治理NOX具有綠色環(huán)保、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。本研究在利用熱解法制備無煙煤碳量子點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用共沉淀法構(gòu)建了一種新型的磷酸銀/碳量子點(diǎn)雜化材料,并研究該復(fù)合材料在可見光條件下催化降解NOX的性能,結(jié)果表明,其光催化效率相對于磷酸銀提升約15%。
關(guān)鍵詞:氮氧化物,光催化,雜化材料,磷酸銀,碳量子點(diǎn)
近年來,我國多地頻繁出現(xiàn)空氣嚴(yán)重污染的霧霾天氣,而氮氧化物(NOX)被認(rèn)為是形成霧霾的重要因素之一[1]。在NOX污染物的各種治理技術(shù)中,光催化由于采用清潔的光能作為能源,同時(shí)具有二次污染小、條件溫和的優(yōu)點(diǎn),因此在消除NOX污染方面?zhèn)涫芮嗖A[2]。
在諸多光催化材料中,磷酸銀在光降解環(huán)境污染物方面具有響應(yīng)波長范圍寬、降解效率較高的特點(diǎn)。不過,磷酸應(yīng)仍存在光吸收能力較弱、光催化活性低等諸多問題[3],而如果利用納米材料摻雜的方法,通過“協(xié)同效應(yīng)”,能夠增強(qiáng)其光催化效率。碳量子點(diǎn),又稱碳點(diǎn),作為一種新型的碳三維納米材料,由于其優(yōu)良的小尺寸效應(yīng)及光電性能,在光學(xué)器件、復(fù)合材料等研究領(lǐng)域備受關(guān)注[4]。無煙煤作為一種廉價(jià)豐富的天然資源,含有大量的SP2碳結(jié)構(gòu),是一種優(yōu)良的碳源。鑒于之前磷酸銀/碳點(diǎn)雜化材料在光催化領(lǐng)域的研究仍鮮見報(bào)道,本研究嘗試制備碳點(diǎn)摻雜磷酸銀制備雜化材料,并應(yīng)用于光催化降解氣體污染物NOX。
1.實(shí)驗(yàn)原料與儀器:
無煙煤粉,購自河南百源環(huán)??萍加邢薰?透析膜、二甲基甲酰胺、硝酸銀、磷酸鈉、氨水、乙醇等購自上海阿拉丁化學(xué)試劑公司。
可見光催化裝置購自上海喬越儀器有限公司;采用美國的ESCALAB-250X射線衍射儀表征材料的衍射圖譜。
2.實(shí)驗(yàn)過程
以無煙煤為碳源,通過熱解法制備碳點(diǎn)。取9 g無煙煤粉放入三頸瓶內(nèi),并加入30 mL二甲基甲酰胺,超聲10 min混勻。隨后,升溫到170oC發(fā)生熱分解,加熱攪拌反應(yīng)3 h。隨后將反應(yīng)產(chǎn)物溶于水,透析12 h,冷凍干燥,得到無煙煤碳量子點(diǎn)。
將3 mmol硝酸銀置于100 mL去離子水中溶解,隨后加入20 mg無煙煤碳點(diǎn),攪拌混合均勻后,逐滴添加稀氨水,直至形成淺黃色的溶液。在上述溶液中,逐滴加入10 ml Na3PO4(0.1 mol/L)溶液,劇烈攪拌5 min。離心分離得到呈黃色的磷酸銀/碳量子點(diǎn)復(fù)合材料,洗滌、干燥得到成品。同時(shí),在不添加碳點(diǎn)的情況下,制備得到磷酸銀材料,作為對比。
關(guān)于可見光催化清除氮氧化物的實(shí)驗(yàn),在可見光催化裝置中,將磷酸銀、磷酸銀/碳量子點(diǎn)復(fù)合材料分別進(jìn)行可見光催化降解NOX的對比實(shí)驗(yàn)研究,每隔5 min計(jì)算并記錄NOX降解率,繪制相關(guān)曲線。
3.結(jié)果與討論
關(guān)于所制備的復(fù)合材料,我們采用XRD對磷酸銀/碳量子點(diǎn)復(fù)合材料進(jìn)行分析表征(如圖1)。結(jié)果表明,復(fù)合材料與磷酸銀的衍射峰基本一致,這可能是由于碳量子點(diǎn)的含量較低(1%),其峰形被磷酸銀掩蓋所致。
另外,通過兩種材料在可見光下光催化降解NOX曲線(圖2)可知,復(fù)合材料的光催化性能明顯優(yōu)于磷酸銀,在100 min光照條件下相對磷酸銀能夠提升15%的光催化效率。究其原因: 首先,碳點(diǎn)含有豐富的羧基、氨基等官能團(tuán),使碳點(diǎn)能夠作為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn),參與在磷酸銀內(nèi)部發(fā)生鍵合作用,繼而生成雜化材料;再者,碳點(diǎn)具有良好的吸光性能,能夠拓展材料的光譜利用范圍,繼而激發(fā)雜化材料產(chǎn)生更多的電子-空穴對,增強(qiáng)其光催化降解污染物的能力。
4.結(jié)論
利用光催化技術(shù)治理NOX具有綠色環(huán)保、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。本研究首先利用價(jià)格低廉、來源廣泛的無煙煤作為碳源制備無煙煤碳量子點(diǎn);隨后采用共沉淀法構(gòu)建了一種新型的磷酸銀/碳量子點(diǎn)復(fù)合材料雜化材料,并研究該復(fù)合材料在可見光條件下催化降解NOX的性能,結(jié)果表明,摻雜碳量子點(diǎn)能夠提升其光催化效率約15%,具有良好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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通訊作者:韓帥,河北工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授,研究方向?yàn)榧{米材料的構(gòu)建與應(yīng)用,
感謝:本項(xiàng)目受到河北省教育廳在讀研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)資助項(xiàng)目(CXZZSS2020080)、河北工程大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(202110076003)的資助