無機化學實驗WO₃/g—C₃N₄雜化材料的制備及其光催化性能

黃立英 李夜平

摘 要： 本文設計了一個簡單易行的WO■/g-C■N■雜化材料的合成及結構、性能表征實驗，即采用煅燒法制備WO■/g-C■N■雜化材料；運用FT-IR、XRD、UV-Vis等表征材料的結構；以亞甲基藍為模型污染物，考察材料的可見光催化性能，旨在使學生初步了解雜化材料的基本知識、常用的表征分析方法，以及環境污染物光催化降解方法。實驗內容涵蓋無機化學、材料化學、儀器分析、光催化性能測試等方面，有利于培養學生的探索精神和科研能力。

關鍵詞： 無機化學 WO■/g-C■N■雜化材料 制備 光催化性能

無機化學實驗是無機化學課程體系的重要組成部分，通過無機化學實驗教學，一方面可以加深理論認識，培養創造性思維能力，另一方面可以指導學生將理論運用于實踐并指導實踐，提高學生分析問題、解決問題的能力。無機化學實驗設計應反映最新的科研成果，以提高學生的創新能力，拓寬學生的知識面。本實驗內容涉及無機化學、材料化學、儀器分析、光催化性能測試等多方面知識，有助于提高學生的綜合能力。

半導體光催化原理是基于半導體材料在光激發下能夠產生光生電子-空穴對，因而具有氧化還原能力。光催化劑吸收太陽光后可將水分解成氫氣和氧氣，也可將環境中的污染物降解為無害物質，具有低能耗、綠色的特征，是一種高級催化氧化還原技術。光催化技術在能源、環境污染等方面具有廣闊的應用前景[1]。

WO■和石墨型氮化碳（g-C■N■）均為半導體材料，禁帶寬度分別為2.68eV和2.7eV，具有可見光催化活性，但二者的光催化活性不強。通過構建雜化體系，可明顯增強材料的光生電子-空穴對的分離效果，因而可提高材料的光催化活性，如WO■與TiO■和Fe■O■的復合[2]，[3]。

本文以WO■、二氰二胺為反應物，通過煅燒法制備WO■/g-C■N■雜化材料，運用FT-IR、XRD、UV-Vis等手段對材料的結構進行表征，并考察WO■/g-C■N■雜化材料在可見光照射下降解有機染料的活性。

1.實驗部分

1.1試劑和儀器

WO■、二氰二胺和亞甲基藍（MB）（國藥集團化學試劑有限公司）；電子天平（北京賽多利斯儀器有限公司）；管式爐（天津中環實驗電爐有限公司）；FT-IR光譜儀（美國Nicolet Avatar 380型）；X射線粉末衍射儀（XRD，德國Bruker D8型）；UV-vis分光光度計（日本島津UV-2450型）；光反應器（揚州大學城科教儀器設備有限公司）；離心機（湖南湘儀H-1650型）。

1.2光催化劑的合成

將適量WO■和二氰二胺混合研磨均勻，置于管式爐中，在氮氣氣氛下以10℃/min升溫至500℃煅燒2h，產物自然冷卻，研細。

1.3光催化劑的表征

FT-IR光譜表征樣品的特征官能團，XRD表征樣品的晶體結構，UV-Vis分光光度計表征樣品的紫外-可見漫反射光譜（DRS）。

1.4光催化降解實驗

在光催化反應瓶中加入50mg催化劑和50mLMB（10mg/L）溶液，避光磁力攪拌30min，使體系吸附平衡，于665nm波長處測吸光度值（A0）。設定空氣流量為1L/min，溫度為28℃，開啟光源（300W氙燈），間隔一定時間取4mL反應液，10000r/min離心5min，取上清液，于665nm波長處測吸光度值（A）。根據朗伯-比爾定律，溶液的吸光度與濃度成正比，因此可用吸光度代替濃度計算光照后MB的去除率（去除率=（1-C/C■）×100%）。

2.結果與討論

FT-IR、XRD表征證明合成的樣品為WO■/g-C■N■雜化材料，DRS表征說明WO■/g-C■N■雜化材料比g-C■N■具有更強的光生電子-空穴分離效果，光催化活性考察表明WO■/g-C■N■雜化材料比WO■和g-C■N■具有更好的可見光催化降解MB的能力。

通過本實驗，學生可以掌握高溫煅燒合成雜化材料的方法，了解FT-IR、XRD和UV-Vis等儀器的基本原理和操作方法及相關圖譜的解析，學會評價光催化劑活性的基本原理和實驗操作。本實驗有助于提高學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的科研創新精神。

參考文獻：

[1]易志剛，徐曉玲，周祚萬等.光催化的輔助激發措施及其在環境治理中的應用.材料導報，2010，24（5）：7-10.

[2]呂珂臻，李潔，李文章等.WO■-TiO■復合空心球的制備及其光催化性能.中國有色金屬學報，2012，22（5）：1352-1357.

[3]D.Bi，Y.Xu.Improved Photocatalytic Activity of WO■ through Clustered Fe■O■ for Organic Degradation in the Presence of H■O■.Langmuir，2011，27（15）：9359-9366.