光催化剂FeAsO4降解罗丹明B染料的性能研究*

封朝霞,李大塘，彭　斌

(湖南科技大学化学化工学院，湖南　湘潭　411201)



光催化剂FeAsO4降解罗丹明B染料的性能研究*

封朝霞,李大塘，彭斌

(湖南科技大学化学化工学院，湖南湘潭411201)

采用并流沉淀法制备了新型可见光催化剂FeAsO4。通过紫外-可见漫反射光谱得知，它能吸收400～500 nm之间的可见光。通过可见光光催化降解罗丹明B评价了该光催化剂的光催化活性，其结果表明，它具有高的光催化活性，能在40～50 min 内就将罗丹明B基本降解完全，这主要归因于在光催化降解过程中，FeAsO4的光催化与罗丹明B分子自身敏化的共同作用。

砷酸铁；共沉淀法；可见光催化剂；罗丹明B

现今，科技、经济快速发展，能源和环境成为全球性的焦点话题，而随之发展的光催化技术正是一种全新的节能环保技术[1-2]，它能直接利用太阳光将水体或空气中的有机污染物降解、转化或矿化为易被生物降解的小分子、无机离子和 CO2，有利于实现节能环保，促进可持续发展，可被人们广泛应用。早年，由Carey等研究发现TiO2半导体可光催化降解水中有机污染物[3-5]，并且于现代可应用于难降解废水的预处理和难降解废水经生化处理后的深度处理，以及微污染饮用水的处理，它是一种有效的光催化材料，可TiO2半导体只能吸收波长小于388 nm的紫外光，而太阳光中最丰富的资源是可见光，约占45%，紫外光只占3%～4%，导致其光催化效率低，耗能大，因此开发可见光光催化剂是重中之重，据报道，Ag3AsO4[6]、AgIO4[7]、Ag3PO4[8-10]、Ag2CO3[11-14]、Ag2CrO4[15-16]都能在可见光下高效地光催化降解有机污染物，但Ag的成本高，并且含Ag类半导体易发生光蚀现象而极大地降低其光催化活性。因此，开发出稳定的，低成本，且能有效地利用可见光的光催化剂是有必要的。据此，利用并流沉淀法成功制备了FeAsO4化合物，迄今，FeAsO4作为光催化剂的研究还未见报道。以有机染料罗丹明B为底物，研究了FeAsO4的光催化性能，并采用紫外-可见漫反射、扫描电镜、XRD等技术对其进行了一系列的表征。

1　实　验

1.1仪器与试剂

PLS-SXE 300C/300CUV氙灯稳流电源，北京泊菲莱科技有限公司；DF-3集热式磁力搅拌器，浙江舟山市定海区海源仪器厂；GW-06A电热恒温干燥箱，哈尔滨理化仪器厂；JSM-6380LV扫描电子显微镜，日本电子株式会社牛津仪器厂；UV-2550紫外可见漫反射，日本岛津公司；Lambda 35紫外可见分光光度计，美国铂金埃默仪器公司；F4500荧光分光光度计，日本日立高技术公司；PB3002-N电子天平，Mettler-Toledo Group；LD5-10低速离心机，北京医用离心机厂；D/MAX-2500/PCX射线衍射仪，荷兰帕纳科公司。

亚砷酸氢二钠(AR)，衡阳水口山有色金属有限公司；过氧化氢(30%，AR)，上海化学试剂公司；硝酸铁(AR)，天津市光复精细化工研究所；硝酸(65%～68%，AR)株洲市星空化玻有限责任公司。

1.2FeAsO4样品的制备

用移液管移取1.7 mL的Na2HAsO3于100 mL烧杯中，再用移液管移取0.9 mL的过氧化氢(30%)，加蒸馏水稀释到约50 mL，加入该烧杯中充分混合，得混合溶液A；然后称取1.7232 g Fe(NO3)3·9H2O 于另一烧杯中，再称量0.0892 g草酸并滴加几滴硝酸，加入50 mL蒸馏水，常温搅拌直至完全溶解，混合均匀，得混合溶液B。最后将A、B溶液分别转入两个分液漏斗中，边搅拌边同时滴入装有20 mL蒸馏水烧杯中，滴速2～3 d/s，滴加完毕后避光常温晶化2 h，然后将所得沉淀过滤分离洗涤3次，最后于60 ℃下烘干，得FeAsO4样品。

1.3光催化活性测试

称取0.2 g FeAsO4于500 mL烧杯中，然后加入100 mL 4 mg/L的罗丹明B溶液，室温下避光搅拌60 min，使催化剂达吸附-脱附平衡后，采用300 W氙灯，λ>420 nm的可见光进行光照，并分别于0、4、12、20、30、45、60、80、100、120、 140 min 时，用移液管取出2.5 mL混合液于离心管中进行离心，取上清液配成溶液，罗丹明B溶液的最大吸收波长是554 nm，采用紫外可见分光光度计检测各个时间点的混合液在此处的吸光度，并分别换算成原始浓度。

2　结果与讨论

2.1样品的紫外-可见漫反射谱图

图1　FeAsO4的紫外-可见漫反射谱图(a)和FeAsO4的αhυ与hυ斜率图(b)

图1中(a)和(b)分别是FeAsO4的紫外-可见漫反射谱图和FeAsO4的αhυ与hυ斜率图。由图1(a)可知，它的扫描区间为200～800 nm,它对200～400 nm之间的紫外光吸收性比较好，但是它也能吸收400～500 nm之间的可见光。根据图1(b)可知,其禁带宽度值为3.1 eV左右，这在一定程度上，决定了砷酸铁对可见光的吸收范围和利用效率。

2.2X-射线衍射

图2　FeAsO4的XRD图谱

图2是FeAsO4的XRD图，结合XRD标准图谱可知，该物质的衍射峰与XRD标准图谱中FeAsO4(PDF#21-0910)大致吻合，说明FeAsO4的制备成功。

2.3样品的形貌分析

图3　FeAsO4的SEM照片(内置图为样品照片)

图3是FeAsO4的SEM照片，其内置图为样品照片。由样品照片可知，FeAsO4样品为淡黄色颗粒状，根据其SEM照片可以看到，该样品形状不规则，颗粒大小不均匀，其平均粒径在1.0～10.0 μm之间。

2.4光催化剂的活性评估

图4为FeAsO4分别为可见光下和不同单波长可见光下的光催化活性评估。c为某时间点罗丹明B的浓度，c0为未加入催化剂时罗丹明B的浓度，t为光照时间。由图4可知，在可见光照射下，FeAsO4约在40～50 min内就可将罗丹明B基本降解完全。当分别使用单波长420 nm、475 nm、500 nm、550 nm 光照催化降解罗丹明B时，发现在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显偏低。由紫外-可见吸收光谱可知，罗丹明B在可见光区的最大吸收波长为554 nm,而FeAsO4只能吸收波长在500 nm以下的太阳光。由此可得，罗丹明B能在可见光光照下降解是既有FeAsO4的光催化作用又有罗丹明B分子的自身光敏化作用[7,17-21]。

图4　FeAsO4催化活性图

3　结　论

采用共沉淀法成功制备了一种新型、高效的半导体光催化剂FeAsO4。它可以吸收400～500 nm之间的可见光，这能在一定程度上降低该催化剂生成光生载流子时所需能量。可见光催化降解罗丹明B其结果显示，它能在40～50 min内将罗丹明B基本降解完全，说明它的光催化活性高，这主要是由 FeAsO4的光催化和罗丹明B分子的自身光敏化的双重作用所致，提高了该半导体的光催化活性。为开发新型实用光催化材料提供了理论基础和实验依据。

[1]芦丽霞,何争光,熊辉东,等.太阳能光催化氧化技术在水处理方面的研究进展[J].广州化工,2006,34(3):11-13,19.

[2]陈金垒,张文杰,张晗宇,等.光催化深度净化处理染料废水[J].广州化工,2012,40(23):112-114.

[3]谢磊,林正迎.二氧化钛光催化净化环境研究进展[J].广州化工,2014,42(11):38-41.

[4]岳俊楠,杨明沁,张伟红.TiO2光催化氧化技术在水处理中的研究进展[J].广州化工,2015,43(8):12-14.

[5]李顺华,郭海福,闫鹏,等.Fe/TiO2光催化降解靛蓝胭脂红研究[J].广州化工,2008,36(4):36-37,39.

[6]Tang J T, Liu Y H, Li H Z, et al. A novel Ag3AsO4visible-light-responsive photocatalyst: facile synthesis and exceptional photocatalytic performance[J]. Chem. Commun, 2013, 49:5498-5500.

[7]Tang J T, Li D T, Feng Z X, et al.A novel AgIO4semiconductor with ultrahigh activity in photodegradation of organic dyes: insights into the photosensitization mechanism[J].RSC Adv, 2014(4): 2151-2154.

[8]Tang J T, Gong W, Cai T J, et al. Novel visible light responsive Ag@

(Ag2S/Ag3PO4) photocatalysts: synergistic effect between Ag and Ag2S for their enhanced photocatalytic activity[J]. RSC Adv., 2013(3): 2543-2547.

[9]Wang W S, Du H, Wang R X, et al. Heterostructured Ag3PO4/AgBr/Ag plasmonic photocatalyst with enhanced photocatalytic activity and stability under visible light[J]. Nanoscale, 2013, 5: 3315-3321.

[10]Xu L, Mechanism of Superior Visible-Light Photocatalytic Activity and Stability of Hybrid Ag3PO4/Graphene Nanocomposite[J].J. Phys. Chem. C,2014,118(24):12972-12979.

[11]Dai G P, Yu J G, Liu G, A new approach for photocorrosion inhibition of Ag2CO3photocatalyst with highly visible-light-responsive reactivity[J]. J. Phys. Chem. C, 2012, 116(29): 15519-15524.

[12]Yu C L,Wei L F, Zhou W Q, et al. Enhancement of the visible light activity and stability of Ag2CO3by formation of AgI/Ag2CO3heterojunction[J].Applied Surface Science, 2014, 319: 312-318.

[13]Dong C, Wu K L, Wei X W, et al. Synthesis of graphene oxide-Ag2CO3composites with improved photoactivity and anti-photocorrosion[J]. CrystEngComm, 2014, 16:730-736.

[14]Li J J, Xie Y L, Zhong Y J, et al. Facile synthesis of Z-scheme Ag2CO3/Ag/AgBr ternary heterostructured nanorods with improved photostability and photoactivity[J]. J. Mater. Chem. A, 2015(3): 5474-5481.

[15]Ouyang S X, Li Z S, Ouyang Z, et al. Correlation of crystal structures, electronic structures, and photocatalytic properties in a series of Ag-based oxides: AgAlO2, AgCrO2, and Ag2CrO4[J]. J. Phys. Chem. C, 2008,112(8): 3134-3141.

[16]Liu Y, Yu H B, Cai M, et al. Microwave hydrothermal synthesis of Ag2CrO4photocatalyst for fast degradation of PCP-Na under visible light irradiation[J]. Catal. Commun, 2012, 26:63-67.

[17]Wang Y B, Hong J D, Zhang W, et al. Carbon nitride nanosheets for photocatalytic hydrogen evolution: remarkably enhanced activity by dye sensitization[J]. Catal. Sci. Technol., 2013(3): 1703-1711.

[18]Lakadamyaliy F, Reisner E, Photocatalytic H2evolution from neutral water with a molecular cobalt catalyst on a dye-sensitised TiO2nanoparticle[J]. Chem. Commun., 2011,47: 1695-1697.

[19]Reisner E, Powell D J, Cavazza C, et al. Visible light-driven H2production by hydrogenases attached to dye-sensitized TiO2nanoparticles[J]. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (51): 18457-18466.

[20]Youngblood W J, Lee S A, Maeda K, et al. Visible light water splitting using dye-sensitized oxide semiconductors[J]. Acc. Chem. Res., 2009, 42 (12): 1966-1973.

[21]Li D T, Tang J T, Li J. Fe4I3O24H15: a novel semiconductor with high performance in photodegradation of rhodamine B dyes under visible light irradiation[J] J. Alloys.Compd, 2015, 633: 296-298.

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

湖南省科技厅发展计划院士基金课题(No:2013FJ4044)。

封朝霞(1989-)，女，硕士研究生。

李大塘(1956-)，男，教授，主要从事无机化学研究与教学，研究方向：催化化学、环境化学。

O643.3

A

1001-9677(2016)05-0055-03