硝酸银的掺杂量对钴酸酸铋合成及其光催化性能的影响
不同银掺杂量对钻酸铋合成及其光催化性能的影响班级：B110114 学号：B11011404 姓名：付柯柯摘要:采用溶胶凝胶法通过改变原料中硝酸银的掺杂量合成了以钻酸铋为主相的催化剂粉体。 利用定量X射线法分析了不同硝酸银的掺杂量对铁酸铋合成过程中物相组成的影响。采用紫 外一可见光谱表征了粉体的光吸收特性。研究了催化剂组成光照时间以及催化剂用量对催化降 解甲基橙性能的影响。结果表明:随着催化剂浓度的提高，当硝酸银掺杂量为5%时，甲基橙的 降解率为60%，当硝酸银掺杂量为10%时催化性能最好，甲基橙的降解率可达到73%，说明 增加催化剂的浓度，有利于甲基橙降解率的提高；适宜的Ag掺杂量为10%，此时光催化活性 最高。关键词:柠檬酸；光催化；钻酸铋；甲基橙。一、前曰：光催化技术利用光激发载流子氧化分解有机污染物，是解决当前有机物环境问题和能源紧 缺的一种理想绿色技术。光催化实质是在太阳光中某些波长光子能量驱动下，使得光催化剂体 内空穴-电子对的分离，然后利用空穴-电子对的强氧化还原活性引发的一系列氧化还原反应过 程。为了充分利用太阳光中的可见光，人们对光催化材料进行了众多研究。铋氧化物作为重要 的功能材料之一，在电子陶瓷材料（陶瓷电容、铁氧体磁性材料等）、电解质材料、光电转化 材料以及医药制药材料等方面有着重要的作用；其中，纯相氧化铋还具有高折射率、低能量带 隙和高电导率的优良特性，更引起了研究者对铋氧化物在光催化方面应用的关注。其中光照时 间光催化剂浓度以及被降解物的浓度对光催化效果有明显影响。多元复合金属氧化物因其晶体 结构和电子结构的多样性，有可能同时具备响应可见光激发的能带结构和高的光生载流子移动 性，被作为潜在的高效光催化材料得到了人们广泛的研究。铋的含氧酸盐化合物具有独特的电 子结构，并且在可见光区有较陡峭的能带吸收边，是一种新型高催化活性的光催化材料。化学方法制备材料的优点即是可以从分子尺度控制材料的合成。溶胶-凝胶合成工艺是近 年来发展较快的一类化学制备方法。它能够在常压及较宽的温度范围内制备出陶瓷、玻璃、纳 米材料等功能材料，是目前不可缺少的一类材料制备手段。溶胶-凝胶法采用具有高化学活性 的含材料成分的液体化合物为前驱体（通常是金属有机醇盐或无机化合物），在液相下将这些 原料均匀混合，并进行一系列的水解、缩聚反应，通过抑制各种反应条件，在溶液中形成稳定 的透明溶胶体系，溶胶经过陈化，胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络 间充满失去流动性的溶剂。溶胶再经过低温干燥，脱去其间溶剂而成为一种多孔空间结构的十 凝胶或气凝胶，最后，经过烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。二、实验过程1、实验原料硝酸钻（Co（NO ） -6H O）；硝酸秘（Bi（N0 ） -6H O）；柠檬酸（C H O -H O）；乙二醇3 233 226872（C H O ）；甲基橙（C H N NaO S）；硝酸（HNO ）；硝酸银（AgNO ）。262141433332、实验器材赛多利斯天平；真空干燥箱；双光束紫外可见分光光度计；烧结炉；玛瑙研钵；磁力搅拌器； 烧杯；玻璃棒；量筒；容量瓶；离心机；3、实验步骤样品制备：1、以硝酸钻（Co（NO ） -6H O）和硝酸秘（Bi（N0 ） -6H O）为原料各取0.025mol,掺杂量为3 233 222%的硝酸银（计算得硝酸钻取7.27575g,硝酸秘取12.12675g,硝酸银取0.084935g），再用天 平称取硝酸钻和硝酸秘的总摩尔数与柠檬酸的摩尔数比为1:1.5的柠檬酸7.88025g，备用。2、将称量好的硝酸钻倒入烧杯中，加入5ml去离子水溶解；将称量好的硝酸秘倒入号烧杯 中，加入20ml乙二醇，再加入1mlHNO3。待上述硝酸钻完全融化后再往烧杯中加入提前称好 的硝酸银。3、往装有硝酸秘的烧杯中放入磁子，将烧杯放在磁力搅拌器上加热（至50°C）搅拌至透明后， 把盛有硝酸钻的烧杯中的溶液滴加入到呈有硝酸秘的号烧杯中，再用5mL的去离子水洗刷 烧杯后将水倒入上述号烧杯中，加热20min。4、加入已称量好的柠檬酸，再加热30min直至柠檬酸完全溶于溶液中后用保鲜膜密封（以免 其他杂质污染）后静置三天，使溶液溶胶凝胶化。5、再以硝酸钻（Co（NO ） -6H O）和硝酸秘（Bi（N0 ） -6H O）为原料各取0.025mol各称取三3 233 22份，分别称取掺杂量为 5% （0.2123375g）、10% （0.424675g）、15% （0.6370125g）的硝酸银 分别加入完全融化的硝酸钻中，重复上述各步骤，将制备好的溶液烧杯分别标记。6、将上述制成胶体置于600°C的干燥箱中，放置数几个小时后直至样品完全干燥。把 干燥的样品用石英研钵碾磨成粉（做好标记，避免混乱）。7、把四份样品放入烧结炉中烧结，烧结温度为600°C，烧结时间为6个小时。烧结完成后将 样品分别放入玛瑙研钵中进行研磨至粉末，然后将研磨后的粉末分别装入袋中待测（做好标记， 避免混乱）。4、样品测试X射线衍射原理：X射线衍射分析（X-ray diffraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，对物 质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶 体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距与入射X射线波长有相同的数 量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线 在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射原理。晶体的X射线衍 射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换，每种晶体的结构与其X射线衍射图之 间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化， 这就是X射线衍射物相分析方法的依据。制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化， 将待分析物质的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。 鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于改组分存在的量（需要做吸收校正者除外），就 可对各种组分进行定量分析。目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联合会 （JCPDS）”负责编辑出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”进行物相分析。射线衍射花样反映 了晶体中的晶胞大小、点阵类型、原子种类、原子数目和原子排列等规律。每种物相均有自己 特定的结构参数，因而表现出不同的衍射特征，即衍射线的数目、峰位和强度。因此X射线 可对材料的物相进行分析，衍射花样可作为鉴别物相的标志。XRD测试步骤：把所得的样品依次进行压片，使样品粉末在载玻片上树立保持不掉落，注意测试的样品保 持表面平整，并把制好的样品片置于X射线仪中进行物相分析。5、性能测试以甲基橙（MO）为目标降解物，在紫外光下考察BiCoO3纳米颗粒的光催化性能。将MO溶 于蒸馏水中，配制成一定浓度的MO溶液将BiCoO3纳米颗粒加入到MO溶液中，于暗室中超 声处理5 min，以使颗粒均匀分散，然后在紫外灯的照射下进行MO的降解反应。（1）甲基橙溶液的配比：用赛多利斯天平称取0.5 x10-4mol的甲基橙，称取的甲基橙颗粒倒 入200mL的容量瓶中，并向容量瓶中加入150mL去离子水，边加入边摇晃容量瓶，使甲基橙 颗粒完全溶入去离子水中，直至加入的去离子水到容量瓶的刻度线后停止加入，这时所制得的 甲基橙溶液溶度为10-5mol/L。并放在一旁静置，备用。（2）制备的样品已按硝酸银的掺杂量不同分为四份，分别取适量样品置于四个烧杯中，然后 向烧杯中加入20mL上述所制得一定溶度的甲基橙溶液。并分别在暗室中超声处理10min，使 颗粒均匀分散，然后每份样品分别先在紫外灯下照射30min。（3）30min钟后，取出四份样品溶液（注意要轻拿轻放，以防溶液浑浊），分别用滴管吸取a:Bii2Co06°i8.8 XBigC。"。. c:Bi2O3 d：C。c be ab1IXiJLaAXAImL&hvMV-iXa1020304050602Theta置在紫外灯下照射30min，照射时间累计90min后，上清液滴入相应的离心管中，吸取完毕后将 离心管放置在离心机中进行离心。离心机的 转速设置为8000r/min，离心时间为5min。（4）将上述所制备的甲基橙溶液置于双光 束紫外可见分光光度计中进行测量，并依此 所测得的为基准。离心结束后，分别取上述 离心管中的溶液并依次置于比色皿中，依次 置于双光束紫外可见分光光度计中进行测 量。测量过后把所用的上清液重新倒入相应 的烧杯中，并重新放置在紫外灯下照射重新 照射30min，总共累计照射时间为60min。（5）30min后，重复上述（3）、（4）过 程，进行离心、测试，测试过后再把烧杯放进行（3）、（4）步骤的测试，并把上述 所测得的数据进行保存，并处理数据，上述 所讨论的是不同硝酸银掺杂量的样品对 甲基橙降解的影响。三、结果与讨论左上图片为不同硝酸银掺杂量的钻酸铋在600°C烧结6h的XRD图谱记为图（1）右上图片为不同硝酸银掺杂量的钻酸秘在不同光照时间下对甲基橙降解率影响记为图（2） 左图片掺杂量为10%时取20g,50g,100g，200g样品时对甲基橙的降解率影响记为图（3）图（1）不同硝酸银掺杂量的钻酸秘在600°C烧结6h的XRD图谱，有图（1）可见，在 20=26.7°,33.5°,36.5°和46°处出现了明显的特征衍射峰。随Ag掺杂量的增加，图中4条曲线在 20=27.5°，33.6。处的衍射峰强度呈先增强后减弱的趋势，其原因可能是由于Ag掺杂量先增加 后接近饱和值，且水热处理过程中掺入的Ag有所流失。在20=26.7°处的衍射峰峰高有所不同， Ag掺杂量为5% （w）时的峰值最高，这可能是由于不同的Ag掺杂量对钻酸铋表面形态造成 了不同的影响，这也是影响催化剂活性的原因之一。图（2）所示的是不同硝酸银掺杂量的钻酸铋在不同光照时间下对甲基橙降解率的影响，甲 基橙的初始溶度为10-5mol/L，由上图实验结果可以看出，产物在紫外光的照射下表现下具有一 定的催化效果，但催化性能不是那么明显。随着光照时间的延长，产物的光催化的效率逐渐变 大，在010min之间，甲基橙降解比较明显，降解率升高较快。在1060min分钟这一段时间， 甲基橙的降解率变化缓慢，主要原因可能是因为产物颗粒没有混合不均匀，吸附性较差。在 60120min这一段时间，随着光照时间，甲基橙的降解率基本不变，趋于平缓。对比四条曲线， 硝酸银掺杂量为2%时，甲基橙的降解率仅为40%，说明光催化剂浓度较低时，催化剂对紫外 光的利用效率较低;随着催化剂浓度的提高，当硝酸银掺杂量为5%时，甲基橙的降解率为60%， 当硝酸银掺杂量为10%时催化性能最好，甲基橙的降解率可达到73%，说明增加催化剂的浓 度，有利于甲基橙降解率的提高；而当硝酸银掺杂量为15%时，甲基橙的降解率反而降为39%， 这说明掺杂浓度过大时，由于催化剂颗粒间的相互阻挡，入射光利用效率反而降低，因此对甲 基橙的降解率减小。图（3） Ag掺杂量为10%时取20mg,50mg,100mg，200mg样品时对甲基橙的降解率影响。 由图可知，随着催化剂浓度的提高，对甲基橙的降解效率逐渐增大，当样品取100mg时，降 解效率达到最大，当继续增加光催化剂浓度时，由于催化剂颗粒间的相互阻挡，入射光利用效 率降低，因此甲基橙的降解效率反而下降。四、结论本文采用溶胶凝胶法制备得到粉体作为初始材料，利用X射线衍射法研究了不同Ag掺杂 量的钻酸铋催化剂对光催化性能的影响，结论如下：由图（2）可知
