光催化劑FeAsO4降解羅丹明B染料的性能研究*

封朝霞,李大塘，彭　斌

(湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南　湘潭　411201)

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光催化劑FeAsO4降解羅丹明B染料的性能研究*

封朝霞,李大塘，彭斌

(湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭411201)

采用并流沉淀法制備了新型可見光催化劑FeAsO4。通過紫外-可見漫反射光譜得知，它能吸收400～500 nm之間的可見光。通過可見光光催化降解羅丹明B評(píng)價(jià)了該光催化劑的光催化活性，其結(jié)果表明，它具有高的光催化活性，能在40～50 min 內(nèi)就將羅丹明B基本降解完全，這主要?dú)w因于在光催化降解過程中，F(xiàn)eAsO4的光催化與羅丹明B分子自身敏化的共同作用。

砷酸鐵；共沉淀法；可見光催化劑；羅丹明B

現(xiàn)今，科技、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源和環(huán)境成為全球性的焦點(diǎn)話題，而隨之發(fā)展的光催化技術(shù)正是一種全新的節(jié)能環(huán)保技術(shù)[1-2]，它能直接利用太陽光將水體或空氣中的有機(jī)污染物降解、轉(zhuǎn)化或礦化為易被生物降解的小分子、無機(jī)離子和 CO2，有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，可被人們廣泛應(yīng)用。早年，由Carey等研究發(fā)現(xiàn)TiO2半導(dǎo)體可光催化降解水中有機(jī)污染物[3-5]，并且于現(xiàn)代可應(yīng)用于難降解廢水的預(yù)處理和難降解廢水經(jīng)生化處理后的深度處理，以及微污染飲用水的處理，它是一種有效的光催化材料，可TiO2半導(dǎo)體只能吸收波長(zhǎng)小于388 nm的紫外光，而太陽光中最豐富的資源是可見光，約占45%，紫外光只占3%～4%，導(dǎo)致其光催化效率低，耗能大，因此開發(fā)可見光光催化劑是重中之重，據(jù)報(bào)道，Ag3AsO4[6]、AgIO4[7]、Ag3PO4[8-10]、Ag2CO3[11-14]、Ag2CrO4[15-16]都能在可見光下高效地光催化降解有機(jī)污染物，但Ag的成本高，并且含Ag類半導(dǎo)體易發(fā)生光蝕現(xiàn)象而極大地降低其光催化活性。因此，開發(fā)出穩(wěn)定的，低成本，且能有效地利用可見光的光催化劑是有必要的。據(jù)此，利用并流沉淀法成功制備了FeAsO4化合物，迄今，F(xiàn)eAsO4作為光催化劑的研究還未見報(bào)道。以有機(jī)染料羅丹明B為底物，研究了FeAsO4的光催化性能，并采用紫外-可見漫反射、掃描電鏡、XRD等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了一系列的表征。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1儀器與試劑

PLS-SXE 300C/300CUV氙燈穩(wěn)流電源，北京泊菲萊科技有限公司；DF-3集熱式磁力攪拌器，浙江舟山市定海區(qū)海源儀器廠；GW-06A電熱恒溫干燥箱，哈爾濱理化儀器廠；JSM-6380LV掃描電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社牛津儀器廠；UV-2550紫外可見漫反射，日本島津公司；Lambda 35紫外可見分光光度計(jì)，美國(guó)鉑金埃默儀器公司；F4500熒光分光光度計(jì)，日本日立高技術(shù)公司；PB3002-N電子天平，Mettler-Toledo Group；LD5-10低速離心機(jī)，北京醫(yī)用離心機(jī)廠；D/MAX-2500/PCX射線衍射儀，荷蘭帕納科公司。

亞砷酸氫二鈉(AR)，衡陽水口山有色金屬有限公司；過氧化氫(30%，AR)，上海化學(xué)試劑公司；硝酸鐵(AR)，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；硝酸(65%～68%，AR)株洲市星空化玻有限責(zé)任公司。

1.2FeAsO4樣品的制備

用移液管移取1.7 mL的Na2HAsO3于100 mL燒杯中，再用移液管移取0.9 mL的過氧化氫(30%)，加蒸餾水稀釋到約50 mL，加入該燒杯中充分混合，得混合溶液A；然后稱取1.7232 g Fe(NO3)3·9H2O 于另一燒杯中，再稱量0.0892 g草酸并滴加幾滴硝酸，加入50 mL蒸餾水，常溫?cái)嚢柚敝镣耆芙猓旌暇鶆颍没旌先芤築。最后將A、B溶液分別轉(zhuǎn)入兩個(gè)分液漏斗中，邊攪拌邊同時(shí)滴入裝有20 mL蒸餾水燒杯中，滴速2～3 d/s，滴加完畢后避光常溫晶化2 h，然后將所得沉淀過濾分離洗滌3次，最后于60 ℃下烘干，得FeAsO4樣品。

1.3光催化活性測(cè)試

稱取0.2 g FeAsO4于500 mL燒杯中，然后加入100 mL 4 mg/L的羅丹明B溶液，室溫下避光攪拌60 min，使催化劑達(dá)吸附-脫附平衡后，采用300 W氙燈，λ>420 nm的可見光進(jìn)行光照，并分別于0、4、12、20、30、45、60、80、100、120、 140 min 時(shí)，用移液管取出2.5 mL混合液于離心管中進(jìn)行離心，取上清液配成溶液，羅丹明B溶液的最大吸收波長(zhǎng)是554 nm，采用紫外可見分光光度計(jì)檢測(cè)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的混合液在此處的吸光度，并分別換算成原始濃度。

2　結(jié)果與討論

2.1樣品的紫外-可見漫反射譜圖

圖1　FeAsO4的紫外-可見漫反射譜圖(a)和FeAsO4的αhυ與hυ斜率圖(b)

圖1中(a)和(b)分別是FeAsO4的紫外-可見漫反射譜圖和FeAsO4的αhυ與hυ斜率圖。由圖1(a)可知，它的掃描區(qū)間為200～800 nm,它對(duì)200～400 nm之間的紫外光吸收性比較好，但是它也能吸收400～500 nm之間的可見光。根據(jù)圖1(b)可知,其禁帶寬度值為3.1 eV左右，這在一定程度上，決定了砷酸鐵對(duì)可見光的吸收范圍和利用效率。

2.2X-射線衍射

圖2　FeAsO4的XRD圖譜

圖2是FeAsO4的XRD圖，結(jié)合XRD標(biāo)準(zhǔn)圖譜可知，該物質(zhì)的衍射峰與XRD標(biāo)準(zhǔn)圖譜中FeAsO4(PDF#21-0910)大致吻合，說明FeAsO4的制備成功。

2.3樣品的形貌分析

圖3　FeAsO4的SEM照片(內(nèi)置圖為樣品照片)

圖3是FeAsO4的SEM照片，其內(nèi)置圖為樣品照片。由樣品照片可知，F(xiàn)eAsO4樣品為淡黃色顆粒狀，根據(jù)其SEM照片可以看到，該樣品形狀不規(guī)則，顆粒大小不均勻，其平均粒徑在1.0～10.0 μm之間。

2.4光催化劑的活性評(píng)估

圖4為FeAsO4分別為可見光下和不同單波長(zhǎng)可見光下的光催化活性評(píng)估。c為某時(shí)間點(diǎn)羅丹明B的濃度，c0為未加入催化劑時(shí)羅丹明B的濃度，t為光照時(shí)間。由圖4可知，在可見光照射下，F(xiàn)eAsO4約在40～50 min內(nèi)就可將羅丹明B基本降解完全。當(dāng)分別使用單波長(zhǎng)420 nm、475 nm、500 nm、550 nm 光照催化降解羅丹明B時(shí)，發(fā)現(xiàn)在420 nm、475 nm、550 nm光照下的催化活性基本一致，而500 nm光照下的光催化活性明顯偏低。由紫外-可見吸收光譜可知，羅丹明B在可見光區(qū)的最大吸收波長(zhǎng)為554 nm,而FeAsO4只能吸收波長(zhǎng)在500 nm以下的太陽光。由此可得，羅丹明B能在可見光光照下降解是既有FeAsO4的光催化作用又有羅丹明B分子的自身光敏化作用[7,17-21]。

圖4　FeAsO4催化活性圖

3　結(jié)　論

采用共沉淀法成功制備了一種新型、高效的半導(dǎo)體光催化劑FeAsO4。它可以吸收400～500 nm之間的可見光，這能在一定程度上降低該催化劑生成光生載流子時(shí)所需能量。可見光催化降解羅丹明B其結(jié)果顯示，它能在40～50 min內(nèi)將羅丹明B基本降解完全，說明它的光催化活性高，這主要是由 FeAsO4的光催化和羅丹明B分子的自身光敏化的雙重作用所致，提高了該半導(dǎo)體的光催化活性。為開發(fā)新型實(shí)用光催化材料提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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FeAsO4Photocatalyst and Its Photocatalytic Performance in Degradation of Rhodamine B Dyes*

FENGZhao-xia,LIDa-tang,PENGBin

(College of Chemistry & Chemical Engineering,Hunan University of Science and Technology, Hunan Xiangtan 411201, China)

A novel visible-light-responsive photocatalyst FeAsO4was prepared by co-precipitation method. The results of UV-visible diffuse reflectance spectrum showed that it can absorb visible light of 400～500 nm. The photocatalytic activity of FeAsO4was tested in degradation of rhodamine B dyes. The results demonstrated that it had high activity, it can completely degrade rhodamine B dyes in 40～50 min. The photocatalytic efficiency can be attributed to the combined effect of intrinsic photocatalytic performance of FeAsO4and rhodamine B self-sensitization in the photocatalytic degradation process.

FeAsO4; co-precipitation; photocatalyst; rhodamine B

湖南省科技廳發(fā)展計(jì)劃院士基金課題(No:2013FJ4044)。

封朝霞(1989-)，女，碩士研究生。

李大塘(1956-)，男，教授，主要從事無機(jī)化學(xué)研究與教學(xué)，研究方向：催化化學(xué)、環(huán)境化學(xué)。

O643.3

A

1001-9677(2016)05-0055-03