磷酸銀/碳量子點(diǎn)雜化材料的制備及光催化性能研究

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)

[1]王禹蘇，張蕾，陳吉浩，等. 大氣中氮氧化物的危害及治理[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019，4（07）： 137-138.

[2]顧中月，黃寶琪，郝芮. 大氣污染物NOx消除的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)工程與裝備，2021，4（04）： 237-238.

[3]劉金芳，孫榕尉，王文豪，等. 磷酸銀復(fù)合材料在催化及抗菌方面的研究進(jìn)展[J]. 廣州化學(xué)，2020，45（3）： 52-60.

[4]柳櫻華，吳繼強(qiáng)，于嬌嬌. 碳點(diǎn)的性質(zhì)，制備及其應(yīng)用研究[J]. 山東化工，2021，50（02）： 75-79.

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