磷酸銀/碳量子點雜化材料的制備及光催化性能研究

王江 吳寶雙 宋春 唐云杰 韓帥

摘要：氮氧化物（NOX）是一種常見的氣體污染物，光催化技術治理NOX具有綠色環保、條件溫和等優點。本研究在利用熱解法制備無煙煤碳量子點的基礎上，采用共沉淀法構建了一種新型的磷酸銀/碳量子點雜化材料，并研究該復合材料在可見光條件下催化降解NOX的性能，結果表明，其光催化效率相對于磷酸銀提升約15%。

關鍵詞：氮氧化物，光催化，雜化材料，磷酸銀，碳量子點

近年來，我國多地頻繁出現空氣嚴重污染的霧霾天氣，而氮氧化物（NOX）被認為是形成霧霾的重要因素之一[1]。在NOX污染物的各種治理技術中，光催化由于采用清潔的光能作為能源，同時具有二次污染小、條件溫和的優點，因此在消除NOX污染方面備受青睞[2]。

在諸多光催化材料中，磷酸銀在光降解環境污染物方面具有響應波長范圍寬、降解效率較高的特點。不過，磷酸應仍存在光吸收能力較弱、光催化活性低等諸多問題[3]，而如果利用納米材料摻雜的方法，通過“協同效應”，能夠增強其光催化效率。碳量子點，又稱碳點，作為一種新型的碳三維納米材料，由于其優良的小尺寸效應及光電性能，在光學器件、復合材料等研究領域備受關注[4]。無煙煤作為一種廉價豐富的天然資源，含有大量的SP2碳結構，是一種優良的碳源。鑒于之前磷酸銀/碳點雜化材料在光催化領域的研究仍鮮見報道，本研究嘗試制備碳點摻雜磷酸銀制備雜化材料，并應用于光催化降解氣體污染物NOX。

1.實驗原料與儀器：

無煙煤粉，購自河南百源環保科技有限公司;透析膜、二甲基甲酰胺、硝酸銀、磷酸鈉、氨水、乙醇等購自上海阿拉丁化學試劑公司。

可見光催化裝置購自上海喬越儀器有限公司;采用美國的ESCALAB-250X射線衍射儀表征材料的衍射圖譜。

2.實驗過程

以無煙煤為碳源，通過熱解法制備碳點。取9 g無煙煤粉放入三頸瓶內，并加入30 mL二甲基甲酰胺，超聲10 min混勻。隨后，升溫到170oC發生熱分解，加熱攪拌反應3 h。隨后將反應產物溶于水，透析12 h，冷凍干燥，得到無煙煤碳量子點。

將3 mmol硝酸銀置于100 mL去離子水中溶解，隨后加入20 mg無煙煤碳點，攪拌混合均勻后，逐滴添加稀氨水，直至形成淺黃色的溶液。在上述溶液中，逐滴加入10 ml Na3PO4（0.1 mol/L）溶液，劇烈攪拌5 min。離心分離得到呈黃色的磷酸銀/碳量子點復合材料，洗滌、干燥得到成品。同時，在不添加碳點的情況下，制備得到磷酸銀材料，作為對比。

關于可見光催化清除氮氧化物的實驗，在可見光催化裝置中，將磷酸銀、磷酸銀/碳量子點復合材料分別進行可見光催化降解NOX的對比實驗研究，每隔5 min計算并記錄NOX降解率，繪制相關曲線。

3.結果與討論

關于所制備的復合材料，我們采用XRD對磷酸銀/碳量子點復合材料進行分析表征（如圖1）。結果表明，復合材料與磷酸銀的衍射峰基本一致，這可能是由于碳量子點的含量較低（1%），其峰形被磷酸銀掩蓋所致。

另外，通過兩種材料在可見光下光催化降解NOX曲線（圖2）可知，復合材料的光催化性能明顯優于磷酸銀，在100 min光照條件下相對磷酸銀能夠提升15%的光催化效率。究其原因： 首先，碳點含有豐富的羧基、氨基等官能團，使碳點能夠作為結構節點，參與在磷酸銀內部發生鍵合作用，繼而生成雜化材料;再者，碳點具有良好的吸光性能，能夠拓展材料的光譜利用范圍，繼而激發雜化材料產生更多的電子-空穴對，增強其光催化降解污染物的能力。

4.結論

利用光催化技術治理NOX具有綠色環保、條件溫和等優點。本研究首先利用價格低廉、來源廣泛的無煙煤作為碳源制備無煙煤碳量子點;隨后采用共沉淀法構建了一種新型的磷酸銀/碳量子點復合材料雜化材料，并研究該復合材料在可見光條件下催化降解NOX的性能，結果表明，摻雜碳量子點能夠提升其光催化效率約15%，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1]王禹蘇，張蕾，陳吉浩，等. 大氣中氮氧化物的危害及治理[J]. 科技創新與應用，2019，4（07）： 137-138.

[2]顧中月，黃寶琪，郝芮. 大氣污染物NOx消除的研究進展[J]. 化學工程與裝備，2021，4（04）： 237-238.

[3]劉金芳，孫榕尉，王文豪，等. 磷酸銀復合材料在催化及抗菌方面的研究進展[J]. 廣州化學，2020，45（3）： 52-60.

[4]柳櫻華，吳繼強，于嬌嬌. 碳點的性質，制備及其應用研究[J]. 山東化工，2021，50（02）： 75-79.

通訊作者：韓帥，河北工程大學材料科學與工程學院副教授，研究方向為納米材料的構建與應用，

感謝：本項目受到河北省教育廳在讀研究生創新能力培養資助項目（CXZZSS2020080）、河北工程大學大學生創新創業訓練項目（202110076003）的資助