温度对铌酸钾晶体的生长及光催化特性影响

刘艳凤 贾相华 左桂鸿 王 丹 张慧霞 祝 强

（牡丹江师范学院，黑龙江 牡丹江157000）

铌酸钾由于其优良的非线性光学、压电、铁电、光催化等特性，在光波导、存储和光催化中具有重要的应用价值，受到越老越多的关注。同时，铌酸钾属于钙钛矿型氧化物，具有容易制备，低毒性，在光辐射下高稳定的特点，是一种环境友好型材料，非常有利于作为光催化剂进行应用。因此，在近些年，将铌酸钾作为光催化剂的研究领域出现了大量的探索。实验结果表明，铌酸钾晶体的形貌能影响光催化性能，合成具有活性暴露的铌酸钾晶体对光催化性能的提高有显著作用。

1 铌酸钾晶体的制备

铌酸钾晶体的合成对已有文献进行了改进。本实验用水热合成法以高纯度的氢氧化钾和五氧化二铌为原料，采用SDS 十二烷基磺酸钠为表面活性剂，加入纯净水混合，置于50ml 的特氟龙沉底中，密封在反应釜里，分别在140℃、150℃、155℃、170℃条件下反应10h，反应结束后，对得到样品采用超纯水和乙醇采用多次洗涤后，在60℃环境下干燥12h，成功制备了铌酸钾晶体粉末。

2 铌酸钾晶体结构的表征分析

2.1 光催化剂的XRD 表征

图1 采用水热合成法在不同反应温度下合成的铌酸钾光催化剂的XRD 谱图

采用日本生产的X-ray 粉末衍射仪进行测量，对合成的铌酸钾样品进行表征。如图1 所示。实验表明，不同温度下反应合成的铌酸钾晶体X 射线谱图相应的衍射峰很好地说明了合成出较高纯度的铌酸钾正交相的样品，给出了实验合成样品的纯度信息，表明所得到的铌酸钾样品是纯净的正交相。

2.2 光催化剂的SEM表征

图2 不同温度下合成的铌酸钾样品的SEM 照片（a）140℃，（b）150℃，（c）155℃，（d）170℃，

所得到的样品形貌以及结晶度利用扫描电镜进行表征，如图2 所示。对铌酸钾晶体来说，扫描电镜照片显示了不同温度下合成的铌酸钾样品形貌，较规则有序，分散性较差且易团聚，颗粒直径约为2μm，少部分团聚颗粒类似六八面体，其尺寸大小处在2-3μm，形状较规则。图2（b）显示，140℃温度下生成的所有样品都呈现出表面光滑，形貌规整，且为六八面体，而且整个样品产率较高，结晶程度好，说明高浓度的水热体系特别适合六八面体铌酸钾颗粒生长。

3 甲基蓝溶液的光催化特性

图3 合成样品对甲基蓝溶液的可见光催化活性分析

样品的光催化活性由甲基蓝溶液的光降解效果评价。将50mg 的铌酸钾样品加入到盛有50ml 甲基蓝溶液（浓度为0.01mmol/L）的100ml 圆底烧瓶中，在25℃水中超声分散10 分钟。然后将烧瓶放在暗处进行磁力搅拌，搅拌大于12 小时达到染料的吸附- 脱附平衡。在铌酸钾晶体粉末讲解染料太阳光照射实验中，固定间隔的时间点，每次用移液枪取3.5ml，利用紫外- 可见光分度计测量该溶液的吸光度。

结果表明，不同温度下合成的铌酸钾样品对甲基蓝光催化讲解有不同的影响，140℃下合成的样品在太阳光照射20min后，甲基蓝染料分子结构中主要的杂环和芳环已经被破坏了，因此该条件下合成的铌酸钾晶体具有最高的降解率。图3 可知，在可见光照射20min 后甲基蓝溶液浓度略有变化，只是少部分甲基蓝溶液被降解，其降解率约为13%。铌酸钾在30 分钟时降解率达到50%左右，而且六八面体微米级铌酸钾降解率在66～81 内，并且随着浓度增加，其光催化活性先增强后下降。在光照90min 时，甲基蓝溶液几乎完全褪色，降解率达到99%，而相同条件下反应液浓度较小的铌酸钾颗粒的降解率仅为25%。通常，铌酸钾活性受到晶型、晶格缺陷、晶粒尺寸、比表面积以及电子与空穴的分离效率等因素的影响。

造成这种现象的原因可能为：在温度较低时，生成的铌酸钾晶体颗粒不是很完整，存在较多的无定形相和缺陷，使得电子和空穴分离机会变大。而且，温度较低时，晶粒尺寸较小，存在较大的比表面积，使其发生光催化反应的有效面积变大，从而提高光催化效率。

3 结论

本实验研究不同温度下，水热合成纯度较高的铌酸钾晶体样品。实验表明，反应温度对晶体形貌和光催化性能有很大影响。合成的样品粒径为的正交相的铌酸钾粉体，结构更为有序，规则，且140℃环境下合成样品在太阳光下对甲基蓝溶液具有较高的降解速率。