AgNbO3/g-C3N4復合材料的制備及其光催化性能研究*

顧建冬，高 媛，馬帥帥

(江蘇理工學院化學與環境工程學院，江蘇 常州 213001)

在經濟快速發展的大環境下，人們生活水平較之前有很大提高，對印染的需求越來越高，許多難以降解的有毒污染物流入有機廢水中，其中RhB是一種典型難降解和易累積的有機污染物，對生態環境和人類健康構成了嚴重影響[1]。光催化技術作為一種高效綠色氧化技術，可以利用太陽能驅動一系列重要化學反應，如光解水制氫、二氧化碳還原和有機污染物降解等，可以應用于印染廢水的降解，在解決能源和環境危機，實現社會的可持續發展方面有重要的應用前景[2]。光催化技術的核心是制備高活性的光催化劑。

氮化碳(g-C3N4)作為一種新型的非金屬有機聚合物半導體，具有廉價易得、可見光響應、特殊的電子能帶結構和優異的化學穩定性等優點，引起眾多學者的關注。其在能源和環境方面的應用主要有光解水產氫，二氧化碳還原、有機污染物去除、吸附重金屬離子以及降解大氣污染物等。但是g-C3N4仍然存在電子空穴復合率高、可見光響應范圍窄、比表面積小等缺點，嚴重制約了其在光催化領域和能源領域的廣泛應用[3]。

AgNbO3具有中等的帶隙(2.8 eV)和可見光響應，是一種特殊的光子晶體[4]，因此，AgNbO3被認為是一種有前景的可見光驅動光催化劑。本研究以硝酸銀、五氧化二鈮和三聚氰胺為原料，通過焙燒法一步制備了AgNbO3/g-C3N4復合材料，對其物相結構和形貌進行表征，并且研究了其光催化性能。

1 實 驗

1.1 試劑及儀器

三聚氰胺，國藥化學試劑有限公司；硝酸銀，國藥化學試劑有限公司；氧化鈮，國藥化學試劑有限公司；HCl，國藥化學試劑有限公司；NaOH，國藥化學試劑有限公司；無水乙醇，國藥化學試劑有限公司；所有試劑均為分析純，未經純化，直接使用。

X射線粉末衍射(XRD)，Bruker公司；掃描電鏡(SEM，工作電壓20 kV)，TESCAN公司；UV2600紫外-可見分光光度計(UV-Vis)，南京菲勒儀器有限公司。

1.2 實驗內容

1.2.1 AgNbO3/g-C3N4復合材料的制備

將硝酸銀和氧化鈮以物質的量n=1：2放入研磨中進行研磨，然后向該混合粉末中分別加入18 g、7.2 g、3.6 g、2.4 g和1.8 g的三聚氰胺并進行充分研磨。將磨好的粉末轉移至馬弗爐內以2 ℃·min-1升溫速率升至550 ℃后保持6 h，冷卻至室溫后研磨，制得AgNbO3負載比分別為2%、5%、10%、15%和20%的AgNbO3/g-C3N4復合材料。

1.2.2 光催化性能測試

準確稱取10 mg 的光催化劑加入50 mL 10 mg/L的RhB溶液中，超聲分散30 min后在暗處攪拌30 min以到達飽和吸附。然后以500 W的氙燈為光源，每隔30 min離心取上層清液，用可見光分光光度計測試吸光度(測試波長為554 nm)。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖1是光催化劑的XRD圖譜。從圖1中可以看出，純AgNbO3在32.4°、39.8°、46.3°、57.5°和67.4°有明顯的衍射峰，與PDF標準卡片(JCPDS 52-0405)一致[5]，說明AgNbO3制備成功。隨著AgNbO3含量的增加，AgNbO3/g-C3N4復合材料在27.5°的衍射峰強度逐漸減弱，同時出現了的藍移現象，可能是由于AgNbO3的引入使得g-C3N4的層間距變大[5]。當AgNbO3的含量小于15%時，在32.4°未出現明顯的衍射峰，可能是由于AgNbO3的含量過低。復合材料中均有出現AgNbO3的衍射峰，說明材料復合成功，結晶度良好。

圖1 AgNbO3和AgNbO3/g-C3N4的XRD圖譜

2.2 SEM分析

g-C3N4、AgNbO3和10% AgNbO3/g-C3N4樣品的SEM如圖2所示。從圖2中可以看出純的g-C3N4為層狀的結構并且表面光滑。純AgNbO3是一種立方體結構，而且分散均勻。從復合材料的SEM圖中可以看出AgNbO3確實是均勻的分布在g-C3N4表面，只有少部分是穿插在片與片之間，且分散性比較好，說明AgNbO3和g-C3N4復合成功。

圖2 g-C3N4(a)、AgNbO3(b)和10%AgNbO3/g-C3N4(c)的

2.3 材料的電化學性能分析

圖3(a)是10% AgNbO3/g-C3N4與純g-C3N4光電流響應圖，從圖3中可以看出當氙燈開啟或者關閉時，兩組樣品都顯示出良好的電流再現性。在光照時，復合光催化劑產生的光電流強度明顯優于純g-C3N4，這說明 AgNbO3/g-C3N4復合材料電子空穴對的分離能力要優于純物質[6]，這可能是由于AgNbO3引入以后增加了g-C3N4的層間距，使得電子可以在層方向上快速的轉移。AgNbO3/g-C3N4復合材料的光電流大小大約是純g-C3N4的2倍，可見，AgNbO3與g-C3N4的耦合明顯改善了電子-空穴對的分離。圖3(b)是純g-C3N4與復合10% AgNbO3/g-C3N4材料的阻抗圖。從圖3中可看出10% AgNbO3/g-C3N4復合材料的弧線半徑小于單體材料的弧線半徑，說明10% AgNbO3/g-C3N4復合材料電阻小于純g-C3N4，光生電子與空穴的復合率低，這與光電流的結果相一致。

圖3 g-C3N4和AgNbO3/g-C3N4的光電流圖 (a)和阻抗圖 (b)

2.4 光催化活性

本研究以RhB為模擬污染物，對制備的各個樣品的光催化性能進行了研究，結果如圖4所示。從圖4中可以看出在未加入催化劑的情況下，RhB的濃度基本不變，說明RhB的自降解過程可忽略不計，純AgNbO3和g-C3N4對RhB均有降解效果，在光照150 min以后降解率分別為21.1%和35.3%。在AgNbO3負載以后，光催化性能有了顯著的提高，復合材料的降解效果都明顯優于純物質。其中10% AgNbO3/g-C3N4復合材料對RhB降解效果最好，在光照150 min以后降解率達到了97.3%。這是由于AgNbO3負載以后，有效地抑制了電子和空穴的復合，延長了光生電子的壽命，從而使得復合材料的光催化活性提高。

圖4 不同材料的光催化降解

3 結 論

本文通過焙燒法一步制備了AgNbO3/g-C3N4復合材料。XRD和SEM結果表明復合材料的結晶度良好，并且分散均勻，復合情況良好。將復合催化劑對羅丹明B進行光降解實驗，結果表明10% AgNbO3/g-C3N4復合光催化劑降解效果最好，降解率達到了97.3%。