氧化鐿/氮化碳光催化劑對廢水有機污染物的降解性能

(遼寧師范大學 遼寧 大連 116029)

引言

地表徑流和地下水環境時刻受到人類活動的影響。尤其在工業化的今天，生產和生活所排放的大量廢水影響著水環境和人體健康。一些無法被自然降解的有機污染物就需要使用各種無污染的技術來降解和消除。其中，光催化技術就是一種被廣泛研究的綠色新方法。

光催化技術的關鍵在于光催化劑的合成和應用，常用光催化劑包括硫化物和金屬氧化物等。Peng Y等制備摻雜CdS的光催化劑[1]，Cao G等[2]使用TiO2復合光催化劑降解對氯苯酚。上述光催化劑制備工藝復雜，設計一種制備方法簡單、光催化效果好的光催化劑十分必要。

氮化碳(g-C3N4)作為一種廉價、形貌易調控的新型光催化劑被廣泛關注。但純氮化碳禁帶寬度大，對可見光的吸收利用效率低[3]；尋找一種合適的方法改性和優化氮化碳的結構和光吸收性能非常重要[4]。異質結結構接觸界面提高了光電子空穴對的分離率，被認為是提高光催化活性的有效方法。氧化鐿(Yb2O3)是一種耐熱性強，穩定性好的半導體材料，被廣泛應用環境催化[5]等方面，利用穩定性能高的氧化鐿與氮化碳構造異質結結構光催化劑，豐富了光催化劑設計的思路。

本研究使用熱分解法制備了不同配比的Yb2O3/g-C3N4復合材料。對其表面形貌、光學吸收和光催化性能等特性進行了表征。復合了Yb2O3的g-C3N4光催化劑的光催化性能明顯提高，其中10wt% Yb2O3/g-C3N4的降解效率最高，降解率達到80%。

一、實驗部分

廢水中亞甲基藍的測定 使用UV-1800PC紫外分光光度計測定廢水中亞甲基藍的含量。離心分離獲得的水樣，取上清液，在吸光度664nm處測量其中亞甲基藍的濃度。配制相近濃度(20mg/L)的模擬實驗用水進行降解實驗。

光催化劑的制備 首先使用簡單熱解方法分別制備氧化鐿和氮化碳樣品，具體步驟如下：將1g硝酸鐿放入帶蓋陶瓷坩堝，放入馬弗爐焙燒(550℃，7h)，得到Yb2O3粉末記為“YbO”。氮化碳的原料是三聚氰胺，將1g三聚氰胺放置在坩堝，以5℃/min的速率升溫至550℃焙燒2h，得到淡黃色g-C3N4粉末，記為“CN”。將兩者分別超聲混合后焙燒得到不同比例的Yb2O3/g-C3N4，標記“5YbO/CN,10YbO/CN,15YbO/CN和20YbO/CN”分別代指氮化碳中含有5%，10%，15%和20%的氧化鐿。

二、樣品的表征

XRD分析 使用島津公司的XRD-6000型X-射線衍射儀確定樣品的物相特征。如圖1，YbO圖像上可以看到(211)，(222)，(400)，(440)和(622)等晶面，符合PDF標準卡片87-2374的正方相Yb2O3。CN圖上的(100)和(002)晶面，與PDF標準卡片87-1526匹配[6]。在不同比例的YbO/CN上都能觀察到屬于Yb2O3的(222)，(400)，(440)和(622)晶面，也可以看到屬于g-C3N4的(002)晶面，證明Yb2O3與g-C3N4的復合光催化劑制備成功。

DRS分析 使用Lambda 35的UV光譜儀分析樣品的光譜特性。可以看到，CN在可見光區域有陡峭的吸收邊緣(圖2)，摻雜了Yb2O3的樣品在可見光區域的吸收邊緣緩和，這說明，Yb2O3/g-C3N4復合光催化劑對可見光的響應效果更加好。

圖1樣品的XRD圖 圖2樣品的DRS圖圖3樣品在可見光下降解亞甲

三、降解實驗結果

取50ml配制的廢水，加入適量光催化劑樣品，在氙燈模擬太陽光下降解亞甲基藍廢水，結果如圖3所示，純CN對亞甲基藍的光催化降解率為34%，YbO/CN的光催化性能與純YbO和CN相比，得到了顯著提升。其中，效果最好的是20YbO/CN光催化劑,2小時內80%的亞甲基藍被去除。

結論

使用超聲混合方法成功制備5%，10%，15%和20%的Yb2O3/g-C3N4光催化劑。DRS分析得知，復合光催化劑對可見光的響應能力大大提高，在氙燈模擬可見光照射下，對亞甲基藍的降解率達到80%。Yb2O3/g-C3N4復合光催化劑有較高的光催化性能。