论文部分内容阅读
摘 要： 近年来，银系半导体由于其高效的光催化性能而广受研究者的青睐。本文设计了一个简单的两步法合成Ag/AgCl/FeO纳米复合光催化材料的实验，利用XRD和TEM对其结构进行表征，并在可见光照射下通过降解亚甲基蓝（MB）评价其光催化活性。通过本实验，学生可以进一步了解纳米材料的制备方法及其相关表征手段，进一步巩固学生的基础理论知识，提高学生的实验技能与创新能力。
关键词： AgCl FeO 大学生创新创业计划项目 实验设计
大学生创新创业训练计划项目是教育部在“十二五”期间开始实施的国家级项目。创新训练项目是本科生个人或团队，在导师的指导下，自主完成创新性研究项目设计和项目实施、研究报告撰写等工作。项目的实施可以促进教育思想观念的转变，进而改革人才培养模式，强化创新创业能力训练，增强高校学生的创新能力和在创新基础上的创业能力，培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才。
随着半导体及其复合纳米材料的快速发展，可见光光催化降解有机染料实现了可能，并受到广大科研工作者的青睐。银是一种价格较为便宜的贵金属，由于银纳米粒子具有很强的局域表面等离子体共振效应，将银纳米粒子与半导体结合可以显著提高半导体的光催化活性。AgCl具有优异的光催化活性，但其见光不稳定，在光照下易在表面生成单质Ag纳米粒子，从而得到Ag/AgCl复合结构。AgCl与原位生成的Ag具有良好的界面接触，从而使材料对可见光的吸收显著增强，导致Ag/AgCl具有比AgCl更强的光催化活性和稳定性。
光催化材料的可回收利用是实现其商业化应用的重要条件。对于银系半导体光催化剂来说，由于其价格较贵，循环使用显得尤为重要。将光催化材料与磁性纳米粒子结合，构筑复合光催化剂，可通过磁分离实现催化剂的回收利用，从而降低成本。在磁性纳米材料中，FeO由于价格低廉、环境友好且具有较大的饱和磁化强度，已引起研究者的广泛兴趣。研究表明，一方面与FeO复合可以提高催化剂的回收利用率，另一方面半导体与FeO之间的能级差能有效抑制电子-空穴的复合，从而形成有效的电荷分离，提高半导体的光催化活性。本实验通过两步法合成出Ag/AgCl/FeO复合光催化剂，利用XRD、TEM等测试手段对样品进行表征。同时以亚甲基蓝（MB）为目标污染物，研究Ag/AgCl/FeO复合光催化剂的可见光光催化性能，了解其在光催化和环境污染治理领域的应用价值。
1.实验部分
1.1实验试剂
Fe（acac）（98%）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，其他试剂购自国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯，使用前未经纯化。
1.2Ag/AgCl/FeO复合光催化材料的制备
FeO胶体溶液参照文献方法制备[1]。将0.18gAgNO与0.1g聚乙烯吡咯烷酮溶解于36mL的乙二醇中，搅拌30min后，加入一定量的FeO胶体溶液，于160℃回流反应30min，所得的样品经离心、去离子水和无水乙醇洗涤后置于45℃的真空烘箱中干燥，得到样品Ag/FeO。
将烘干的样品进行研磨处理，称取50mg，加入20mL去离子水，在磁力搅拌下慢慢滴加20mL0.05M的FeCl溶液，搅拌反应3h后，将所得的样品离心、洗涤、干燥，研磨保存，得到Ag/AgCl/FeO样品。作为比较，在相同条件下可合成Ag/AgCl光催化材料。
1.3光催化实验
以MB为目标污染物，通过对MB的降解反应来考察样品的光催化活性。光催化实验在GHX-3型光化学反应仪（扬州科教仪器有限公司）中进行，光源为250W的氙灯。在光源与反应瓶之间加滤光片，以去除λ<420nm的紫外光。具体操作如下：将100mg光催化剂加入到100mL5mg/L的MB溶液中，暗态下搅拌1h，以达到吸附脱附平衡。开灯后，每隔一定时间抽取3mL反应液，离心，用吸管吸取上层清液进行吸光度的测定，以考察MB的浓度变化。
1.4样品的表征
采用X-射线衍射仪（XRD，Bruker D8 Advance）测定样品的相结构。采用透射电子显微镜（TEM，JEM-2100）测定样品的微观结构。以BaSO为基底，采用Shimadzu UV-2450紫外-可见分光光度计测试样品的紫外—可见漫反射光谱，采用UV-1800PC紫外—可见分光光度计测试样品的紫外—可见光谱。
2.结果与讨论
通过XRD对样品进行表征，可以证明该实验合成的最终产物为Ag/AgCl/FeO复合光催化剂；通过TEM和HRTEM对样品表征，可以得到样品的微观形貌，进而得到其尺寸大小；利用紫外-可见漫反射光谱研究样品对光的吸收能力的大小；为了进一步评价样品的光催化活性，以MB为目标污染物，在可见光照射下对其进行光降解，通过研究MB溶液的吸光度-时间曲线可以判断MB的降解情况。同时，Ag/AgCl/FeO的光催化活性可以通过改变其中FeO的含量而加以调控。Ag/AgCl/FeO增强的光催化活性使其在光催化领域具有潜在的应用价值。
学生通过本实验的前期准备工作，如文献检索与阅读、方案设计与调整等，可以充分锻炼其自学能力；通过X-射线衍射仪、透射电镜和紫外-可见分光光度计的使用，在掌握这些仪器的基本测试原理和方法的基础上，进一步加强学生在实验技能方面的培养和训练；通过实验的具体实施及数据处理分析软件如Jade和Origin，可以提高学生对作图软件的使用及相关数据处理和分析的能力，这些都会对其今后科研工作起到至关重要的作用。
参考文献：
[1]Ji Z Y，Zhao J L，Shen X P，Yue X Y.Construction of magnetically separable Ag3PO4/Fe3O4/GO composites as recyclable photocatalysts[J].Ceram.Int.，2015，41，13509-13515.
基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（201510299025Z）。
关键词： AgCl FeO 大学生创新创业计划项目 实验设计
大学生创新创业训练计划项目是教育部在“十二五”期间开始实施的国家级项目。创新训练项目是本科生个人或团队，在导师的指导下，自主完成创新性研究项目设计和项目实施、研究报告撰写等工作。项目的实施可以促进教育思想观念的转变，进而改革人才培养模式，强化创新创业能力训练，增强高校学生的创新能力和在创新基础上的创业能力，培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才。
随着半导体及其复合纳米材料的快速发展，可见光光催化降解有机染料实现了可能，并受到广大科研工作者的青睐。银是一种价格较为便宜的贵金属，由于银纳米粒子具有很强的局域表面等离子体共振效应，将银纳米粒子与半导体结合可以显著提高半导体的光催化活性。AgCl具有优异的光催化活性，但其见光不稳定，在光照下易在表面生成单质Ag纳米粒子，从而得到Ag/AgCl复合结构。AgCl与原位生成的Ag具有良好的界面接触，从而使材料对可见光的吸收显著增强，导致Ag/AgCl具有比AgCl更强的光催化活性和稳定性。
光催化材料的可回收利用是实现其商业化应用的重要条件。对于银系半导体光催化剂来说，由于其价格较贵，循环使用显得尤为重要。将光催化材料与磁性纳米粒子结合，构筑复合光催化剂，可通过磁分离实现催化剂的回收利用，从而降低成本。在磁性纳米材料中，FeO由于价格低廉、环境友好且具有较大的饱和磁化强度，已引起研究者的广泛兴趣。研究表明，一方面与FeO复合可以提高催化剂的回收利用率，另一方面半导体与FeO之间的能级差能有效抑制电子-空穴的复合，从而形成有效的电荷分离，提高半导体的光催化活性。本实验通过两步法合成出Ag/AgCl/FeO复合光催化剂，利用XRD、TEM等测试手段对样品进行表征。同时以亚甲基蓝（MB）为目标污染物，研究Ag/AgCl/FeO复合光催化剂的可见光光催化性能，了解其在光催化和环境污染治理领域的应用价值。
1.实验部分
1.1实验试剂
Fe（acac）（98%）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，其他试剂购自国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯，使用前未经纯化。
1.2Ag/AgCl/FeO复合光催化材料的制备
FeO胶体溶液参照文献方法制备[1]。将0.18gAgNO与0.1g聚乙烯吡咯烷酮溶解于36mL的乙二醇中，搅拌30min后，加入一定量的FeO胶体溶液，于160℃回流反应30min，所得的样品经离心、去离子水和无水乙醇洗涤后置于45℃的真空烘箱中干燥，得到样品Ag/FeO。
将烘干的样品进行研磨处理，称取50mg，加入20mL去离子水，在磁力搅拌下慢慢滴加20mL0.05M的FeCl溶液，搅拌反应3h后，将所得的样品离心、洗涤、干燥，研磨保存，得到Ag/AgCl/FeO样品。作为比较，在相同条件下可合成Ag/AgCl光催化材料。
1.3光催化实验
以MB为目标污染物，通过对MB的降解反应来考察样品的光催化活性。光催化实验在GHX-3型光化学反应仪（扬州科教仪器有限公司）中进行，光源为250W的氙灯。在光源与反应瓶之间加滤光片，以去除λ<420nm的紫外光。具体操作如下：将100mg光催化剂加入到100mL5mg/L的MB溶液中，暗态下搅拌1h，以达到吸附脱附平衡。开灯后，每隔一定时间抽取3mL反应液，离心，用吸管吸取上层清液进行吸光度的测定，以考察MB的浓度变化。
1.4样品的表征
采用X-射线衍射仪（XRD，Bruker D8 Advance）测定样品的相结构。采用透射电子显微镜（TEM，JEM-2100）测定样品的微观结构。以BaSO为基底，采用Shimadzu UV-2450紫外-可见分光光度计测试样品的紫外—可见漫反射光谱，采用UV-1800PC紫外—可见分光光度计测试样品的紫外—可见光谱。
2.结果与讨论
通过XRD对样品进行表征，可以证明该实验合成的最终产物为Ag/AgCl/FeO复合光催化剂；通过TEM和HRTEM对样品表征，可以得到样品的微观形貌，进而得到其尺寸大小；利用紫外-可见漫反射光谱研究样品对光的吸收能力的大小；为了进一步评价样品的光催化活性，以MB为目标污染物，在可见光照射下对其进行光降解，通过研究MB溶液的吸光度-时间曲线可以判断MB的降解情况。同时，Ag/AgCl/FeO的光催化活性可以通过改变其中FeO的含量而加以调控。Ag/AgCl/FeO增强的光催化活性使其在光催化领域具有潜在的应用价值。
学生通过本实验的前期准备工作，如文献检索与阅读、方案设计与调整等，可以充分锻炼其自学能力；通过X-射线衍射仪、透射电镜和紫外-可见分光光度计的使用，在掌握这些仪器的基本测试原理和方法的基础上，进一步加强学生在实验技能方面的培养和训练；通过实验的具体实施及数据处理分析软件如Jade和Origin，可以提高学生对作图软件的使用及相关数据处理和分析的能力，这些都会对其今后科研工作起到至关重要的作用。
参考文献：
[1]Ji Z Y，Zhao J L，Shen X P，Yue X Y.Construction of magnetically separable Ag3PO4/Fe3O4/GO composites as recyclable photocatalysts[J].Ceram.Int.，2015，41，13509-13515.
基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（201510299025Z）。