Ag3PO4/g-C3N4 復合光催化劑的合成及其性能研究進展*

鄭廣順，耿佳靜，趙世紀，李佳佳，靳愛玲

（鄭州師范學院 化學化工學院，河南 鄭州450044）

引言

工業的快速發展的同時也帶來了嚴重的環境污染和能源危機問題。有機污染物污染是最嚴重的水污染問題之一。處理水體環境的方法有很多，如物理吸附法[1]、膜分離技術[2]。它們成本較高，且僅能分離染料。染料種類多，且大多合成染料自身具有抵制褪色的特性，不易被降解。所以，尋找一種高能有效且環保的方法極為迫切。光催化技術是指在太陽的照射下，使水溶液中的催化劑產生超氧自由基和羥基自由基，通過氧化反應對有機染料污染物進行降解[3]，在治理水體污染問題上有著良好的應用發展前景。磷酸銀（Ag3PO4）及其復合光催化劑在這方面有很好的應用前景[4-10]。與其他催化劑相比，Ag3PO4的吸光性能好、量子效率也更高。石墨相氮化碳（g-C3N4）穩定性好，且可吸收可見光和成本低。利用化學方法將Ag3PO4和g-C3N4進行有效復合得到Ag3PO4/g-C3N4復合光催化劑，利用兩者的協同作用，既可以保證其穩定性，又可以提高光催化性能。本文將從Ag3PO4/g-C3N4復合光催化劑制備方法、表征手段及其光催化性能等方面進行相關綜述。

1 Ag3PO4/g-C3N4 復合材料的研究進展

1.1 制備方法綜述

Ag3PO4/g-C3N4復合材料的制備方法多種多樣，主要有溶劑蒸發法、原位沉淀法等，它們在制作步驟，制作工藝，制作時長等方面上有所不同，各有優劣。

1.1.1 溶劑蒸發法

Chunni Tang 等人[11]采用溶劑蒸發法，制備了四面體的Ag3PO4/g-C3N4復合光催化劑。該系列催化劑對亞甲基藍（MB）溶液的降解結果表明，Ag3PO4/g-C3N4復合光催化劑中g-C3N4的含量為10%時，光催化降解性能最佳，降解率高達99%。

1.1.2 原位沉淀法

Haoran Wang 等人[12]采用原位沉淀法在室溫下制備了多孔的g-C3N4納米包裹Ag3PO4復合材料。研究結果表明：多孔g-C3N4納米包裹Ag3PO4復合材料的吸收邊為480nm，明顯拓寬了g-C3N4的光吸收帶邊（440nm）。

1.2 Ag3PO4/g-C3N4 殼核復合光催化劑的研究進展

Liu 等[13]利用圖1 的思路設計合成Ag3PO4/g-C3N4殼核復合光催化劑、s-三嗪環結構的層狀材料g-C3N4，并對該系列催化劑的光催化性能進行了研究，結果表明：隨著g-C3N4含量的升高Ag3PO4/g-C3N4的光催化活性先升高后下降。當g-C3N4含量為7.0%時，Ag3PO4/g-C3N4殼核復合光催化劑的光催化活性具有最高光催化活性，有97%的污染物降解率。

圖1 Ag3PO4/g-C3N4 殼核復合光催化劑的制備原理圖

圖2 Ag3PO4（a）g-C3N4，（b）Ag3PO4/g-C3N4，（c）SEM 圖和Ag3PO4/g-C3N4，（d）TEM 圖

1.3 不同形貌Ag3PO4/g-C3N4 復合材料研究進展

1.3.1 四面體Ag3PO4/g-C3N4復合材料研究進展

制備方法概述：Ikki Tateishi 等人[15]采用原位沉淀法，制備了四面體Ag3PO4/g-C3N4復合光催化劑。對其性能研究的結果表明隨著催化劑中g-C3N4的比例增加，光解水產氧的活度先升高后降低。其最低的光水解產氧活度，甚至低于加入純Ag3PO4光催化劑光解水產氧活度；在所有的復合光催化劑中，含有10%的g-C3N4的Ag3PO4/g-C3N4復合光催化降解甲基橙的活性最高，僅用2min 見光照射就能使甲基橙完全脫色。

1.3.2 十二面體Ag3PO4/g-C3N4復合材料研究進展

Hongbin Yu 等人[16]制備十二面體Ag3PO4/g-C3N4復合光催化劑后并研究了改系列催化劑的微觀形貌（圖2）：Ag3PO4裸顆粒和g-C3N4分別為良好的十二面體結構和典型的皺褶狀薄片狀的。十二面體Ag3PO4/g-C3N4復合材料中Ag3PO4粒子是被層狀g-C3N4緊密包裹。對其光催化性能的研究結果表明復合光催化劑的光催化活性最高。

1.4 影響因素概述

光強度：在光催化實驗中，隨著光強度的增加，光生電子-空穴對也會增多光催化反應降解速率就會加快。光生電子和空穴的捕獲：在光催化反應過程中，光生電子-空穴對會發生分離和復合的競爭過程。但是對于光催化反應來說，光生電子和空穴的有效分離更為關鍵，所以，向溶液中加入適當的電子或空穴的捕獲劑，阻止其復合過程，可以提高光催化反應速率。Ag3PO4和g-C3N4的質量比：H. Katsumata 等人[17]研究了催化劑中Ag3PO4和g-C3N4的質量比對其光催化活性的影響。結果表明，25% g-C3N4/Ag3PO4復合光催化劑的光催化降解速率最快、活性最高。其他影響因素還有Ag3PO4的晶體狀態和顆粒直徑等。

2 應用研究

2.1 光催化燃料電池

Hongbin Yu 等人[16]分別采用滴涂法和電沉積法制備了Ag3PO4/g-C3N4光陽極和Cu2O 光電陰極，采用降解TC的方式，研究了不同光陽極的PFC 性能。結果表明含Ag3PO4/g-C3N4光陽極的PFC 對TC 的降解速率分別為含單組分光陽極的PFC（Ag3PO4或g-C3N4）的2.53倍和3.65倍，即采用Ag3PO4/g-C3N4光陽極，可以大大提高PFC 性能。

2.2 光催化降解有機污染物

光催化降解有機污染物的本質在于：太陽光作為驅動能，催化劑在吸收特定波長的可見光后，產生的光生電子-空穴對被捕獲，產生超氧自由基和羥基自由基作用于有機污染物，發生氧化還原反應，以實現降解。相對于其他的光催化劑，Ag3PO4的氧化能力更強，具有更高的有機污染物降解能力。近年來，有關Ag3PO4的復合光催化劑在光催化降解有毒有機污染物的應用中引起了廣大研究者的關注[19-20]。

2.3 其他應用研究

Ag3PO4可見光催化劑因其特殊的價帶位置和導帶位置，在吸收特定波長的可見光后，產生作用于水的光生電子-空穴對，能夠光解水制備清潔能源氫氣；可見光催化劑可以降解長期蓄積在人體內的環境藥物，環境藥物指主要成分為抗生素的新型環境污染物，隨著時間會對人體造成不可逆轉的傷害；光催化劑可以提高二氧化碳的化學轉換率，將其還原為一氧化碳，甚至有機燃料；光催化劑還可以用來治理環境中的有害氣體氮氧化物等氣相污染物、滅活大腸桿菌等病原微生物。

3 結束語

本文綜述了Ag3PO4/g-C3N4殼核復合光催化劑十二面體和四面體形貌Ag3PO4/g-C3N4復合光催化劑的制備方法、光催化性能、影響因素和與有關的應用研究，得出光催化性能的提高，主要是在于改善可見光的吸收范圍，增加比表面積，提高對可見光的吸收能力，使帶隙更窄，電荷分離轉移速率更快，降低光生電子-空穴對的復合和光腐蝕可能性。相信在不久的將來，Ag3PO4/g-C3N4復合光催化劑存在的問題都能夠得到解決，成為工業中大規模生產的優良材料。