可見光響應的V2O5/TiO2膜層的制備及光催化性能研究

摘要：在酸性NH4VO3溶液中對微弧氧化TiO2膜進行水熱煅燒處理，制備了V2O5/TiO2復合膜。研究了水熱煅燒處理對膜層的相組成和形貌的影響，并分別通過在紫外光和可見光照射下對亞甲基藍的降解，考察了膜層的光催化活性。結果表明：經過水熱煅燒處理，顆粒狀和團簇狀的V2O5在TiO2膜層表面生成，使膜層不僅在紫外光照射下的光催化活性得到了明顯的改善，而且實現了可見光響應，在可見光照射下具有優異的光催化活性。

關鍵詞：V2O5/TiO2膜層;光催化;可見光響應

0引言

TiO2由于具有廉價、化學穩定性好、無毒、耐光腐蝕和較高的光催化活性等特點，在污水中有機物的降解領域顯示出巨大的優勢[1-3]。然而，純TiO2的帶隙能較寬，只能吸收紫外光，并且光生電子- 空穴對極易復合。V2O5是一種層狀結構的半導體材料，帶隙窄（Eg=2.3eV）[4]，光響應范圍寬，能夠被波長小于605nm的可見光激發，同時化學性質穩定，在光催化領域得到了較為廣泛的應用。本文采用水熱煅燒的方式，對微弧氧化TiO2膜層進行后續處理，制備了V2O5/TiO2復合膜層，并研究了膜層的光催化性能。

1???? 實驗

1.1? 膜層的制備

首先，制備微弧氧化膜層，標記為MAO-TiO2膜，具體工藝參數如下：電解液的成分為0.05mol/L的Na3PO4;電源參數為正壓350V，負壓-40V，頻率700Hz，占空比0.3;處理時間為3min。然后，將MAO-TiO2膜進行水熱和煅燒處理，標記為MAO-H-V2O5/TiO2膜，具體工藝參數如下：將0.1mol/L的HNO3溶液緩慢滴入100mL濃度為0.01mol/L的NH4VO3溶液中，并不斷攪拌，直到溶液的pH值達到2～3之間;將配置好的溶液倒入水熱反應釜中，然后再將MAO-TiO2膜置于其內，200℃下保溫10h;最后將水熱處理之后的膜層在500℃下煅燒3h。

1.2? 光催化實驗

光催化降解實驗以10mL濃度為10mg/L的亞甲基藍水溶液為模型污染物。紫外光源選用功率為40W、主波長為365nm的紫外燈。可見光源采用功率為500W、主波長為417nm的高壓汞燈，使用濾光片將400nm以下的紫外光過濾掉。降解時間為120min。

2???? 結果和討論

2.1? 相組成分析

MAO-TiO2膜和MAO-H-V2O5/TiO2膜的XRD圖譜如圖1所示。兩圖中Ti的衍射峰均來自于Ti基體。經水熱- 煅燒處理之后，膜層中出現了V2O5相，是由于在隨后的水熱反應過程中，由于溶液的pH值在2～3之間，NH4VO3將發生以下反應[5]：

V2O·5xH2O依附在膜層表面逐漸形核和長大。在水熱之后的煅燒過程中，V2O·5xH2O逐漸脫水而轉變為V2O5相。

（a）MAO-TiO膜;（b）MAO-H-V O/TiO膜

2.2形貌分析

MAO-TiO2膜和MAO-H-V2O5/TiO2膜的表面形貌如圖2所示。從圖中可以看出，MAO-TiO2膜表面為典型的微弧氧化的多孔形貌，經過水熱-煅燒處理，微弧氧化膜層表面生成的V2O5的形貌為顆粒狀和團簇狀。

（a）MAO-TiO2膜;（b）MAO-H-V2O5/TiO2膜（低倍）

2.3光催化活性

MAO-TiO2膜在紫外光照射下以及MAO-H-V2O5/TiO2膜在紫外光和可見光照射下對亞甲基藍的降解率如圖3所示。由圖可知，在紫外光照射下，MAO-TiO膜和MAO-H-V O/TiO膜對亞甲基藍的降解率分別為31%和91%;在可見光照射下，MAO-H-V2O5/TiO2膜對亞甲基藍的降解率為92%。經過水熱- 煅燒處理之后，膜層不僅在紫外光照射下的光催化活性得到了明顯的改善，而且實現了可見光響應，在可見光照射下具有優異的光催化活性。這一方面得益于V2O5窄的帶隙能，另一方面得益于光生電子和空穴的有效分離。

3???? 結論

對MAO-TiO2膜進行水熱煅燒處理，制備了MAO-H-V2O5/TiO2膜。利用XRD和ESEM考察了水熱煅燒處理對膜層的相組成和形貌的影響，并分別通過在紫外光和可見光照射下對亞甲基藍的降解，考察了膜層的光催化活性，得到如下結論：

（1）?? 經過水熱煅燒處理，V O在MAO-TiO膜層表面生成。

（2）?? 經過水熱煅燒處理，膜層不僅在紫外光照射下的光催化活性得到了明顯的改善，而且實現了可見光響應，在可見光照射下具有優異的光催化活性。

參考文獻：

[1]?? Chen H.W.，Ku Y.，Kuo Y.L.Effect of Pt/TiO2characteristics on tem-poral behavior of o-cresol decomposition by visible light-induced photocatalysis[J].Water Research，2007，41（10）：2069–2078.

[2]?? Kosowska B.，Mozia S.，Morawski A.W.，et al.The preparation of TiO2-nitrogen doped by calcination of TiO2·xH2O under ammonia atmosphere for visible light photocatalysis[J].Solar Energy Material&Solar Cells，2005，88（3）：269-280.

[3]?? 徐東芝，王美婷，李戰軍.Ce3+摻雜介孔TiO2納米粉末的水熱制備及其光催化性能[J].中國陶瓷，2015，51（7）：24-31.

[4]?? Yan B，Liao L，You Y，et al.Single-Crystalline V2O5Ultralong Nanorib-bon Waveguides.Advanced Materials，2009，21（23）：2436-2440.

[5]?? Li B，Xu Y，Rong G，et al.Vanadium pentoxide nanobelts and nanorolls：from controllable synthesis to investigation of their electrochemical properties and photocatalytic activities.Nanotechnology，2006，17（10）：2560-2566.

作者簡介：

羅強（1981-），男（漢族），山東滕州人，博士，任職于武漢輕工大學，講師，研究方向：光催化材料。

湖北省教育廳科學研究計劃指導性項目（B2018079），項目名稱：可見光響應的V2O5/Ti3C2復合光催化劑的可控制備及光催化性能研究