溫度對鈮酸鉀晶體的生長及光催化特性影響

劉艷鳳 賈相華 左桂鴻 王 丹 張慧霞 祝 強

（牡丹江師范學院，黑龍江 牡丹江157000）

鈮酸鉀由于其優良的非線性光學、壓電、鐵電、光催化等特性，在光波導、存儲和光催化中具有重要的應用價值，受到越老越多的關注。同時，鈮酸鉀屬于鈣鈦礦型氧化物，具有容易制備，低毒性，在光輻射下高穩定的特點，是一種環境友好型材料，非常有利于作為光催化劑進行應用。因此，在近些年，將鈮酸鉀作為光催化劑的研究領域出現了大量的探索。實驗結果表明，鈮酸鉀晶體的形貌能影響光催化性能，合成具有活性暴露的鈮酸鉀晶體對光催化性能的提高有顯著作用。

1 鈮酸鉀晶體的制備

鈮酸鉀晶體的合成對已有文獻進行了改進。本實驗用水熱合成法以高純度的氫氧化鉀和五氧化二鈮為原料，采用SDS 十二烷基磺酸鈉為表面活性劑，加入純凈水混合，置于50ml 的特氟龍沉底中，密封在反應釜里，分別在140℃、150℃、155℃、170℃條件下反應10h，反應結束后，對得到樣品采用超純水和乙醇采用多次洗滌后，在60℃環境下干燥12h，成功制備了鈮酸鉀晶體粉末。

2 鈮酸鉀晶體結構的表征分析

2.1 光催化劑的XRD 表征

圖1 采用水熱合成法在不同反應溫度下合成的鈮酸鉀光催化劑的XRD 譜圖

采用日本生產的X-ray 粉末衍射儀進行測量，對合成的鈮酸鉀樣品進行表征。如圖1 所示。實驗表明，不同溫度下反應合成的鈮酸鉀晶體X 射線譜圖相應的衍射峰很好地說明了合成出較高純度的鈮酸鉀正交相的樣品，給出了實驗合成樣品的純度信息，表明所得到的鈮酸鉀樣品是純凈的正交相。

2.2 光催化劑的SEM表征

圖2 不同溫度下合成的鈮酸鉀樣品的SEM 照片（a）140℃，（b）150℃，（c）155℃，（d）170℃，

所得到的樣品形貌以及結晶度利用掃描電鏡進行表征，如圖2 所示。對鈮酸鉀晶體來說，掃描電鏡照片顯示了不同溫度下合成的鈮酸鉀樣品形貌，較規則有序，分散性較差且易團聚，顆粒直徑約為2μm，少部分團聚顆粒類似六八面體，其尺寸大小處在2-3μm，形狀較規則。圖2（b）顯示，140℃溫度下生成的所有樣品都呈現出表面光滑，形貌規整，且為六八面體，而且整個樣品產率較高，結晶程度好，說明高濃度的水熱體系特別適合六八面體鈮酸鉀顆粒生長。

3 甲基藍溶液的光催化特性

圖3 合成樣品對甲基藍溶液的可見光催化活性分析

樣品的光催化活性由甲基藍溶液的光降解效果評價。將50mg 的鈮酸鉀樣品加入到盛有50ml 甲基藍溶液（濃度為0.01mmol/L）的100ml 圓底燒瓶中，在25℃水中超聲分散10 分鐘。然后將燒瓶放在暗處進行磁力攪拌，攪拌大于12 小時達到染料的吸附- 脫附平衡。在鈮酸鉀晶體粉末講解染料太陽光照射實驗中，固定間隔的時間點，每次用移液槍取3.5ml，利用紫外- 可見光分度計測量該溶液的吸光度。

結果表明，不同溫度下合成的鈮酸鉀樣品對甲基藍光催化講解有不同的影響，140℃下合成的樣品在太陽光照射20min后，甲基藍染料分子結構中主要的雜環和芳環已經被破壞了，因此該條件下合成的鈮酸鉀晶體具有最高的降解率。圖3 可知，在可見光照射20min 后甲基藍溶液濃度略有變化，只是少部分甲基藍溶液被降解，其降解率約為13%。鈮酸鉀在30 分鐘時降解率達到50%左右，而且六八面體微米級鈮酸鉀降解率在66～81 內，并且隨著濃度增加，其光催化活性先增強后下降。在光照90min 時，甲基藍溶液幾乎完全褪色，降解率達到99%，而相同條件下反應液濃度較小的鈮酸鉀顆粒的降解率僅為25%。通常，鈮酸鉀活性受到晶型、晶格缺陷、晶粒尺寸、比表面積以及電子與空穴的分離效率等因素的影響。

造成這種現象的原因可能為：在溫度較低時，生成的鈮酸鉀晶體顆粒不是很完整，存在較多的無定形相和缺陷，使得電子和空穴分離機會變大。而且，溫度較低時，晶粒尺寸較小，存在較大的比表面積，使其發生光催化反應的有效面積變大，從而提高光催化效率。

3 結論

本實驗研究不同溫度下，水熱合成純度較高的鈮酸鉀晶體樣品。實驗表明，反應溫度對晶體形貌和光催化性能有很大影響。合成的樣品粒徑為的正交相的鈮酸鉀粉體，結構更為有序，規則，且140℃環境下合成樣品在太陽光下對甲基藍溶液具有較高的降解速率。