崔玉民 肖 依 朱良俊 吳京威 姜欣宇 師瑞娟 李慧泉

(1.阜陽師范學院化學與材料工程學院，安徽 阜陽 236037； 2.環(huán)境污染物降解與監(jiān)測安徽省重點實驗室，安徽 阜陽 236037； 3.武漢理工大學化工與生命科學學院，湖北 武漢 430070)

三氧化二銦/B元素摻雜的g-C3N4催化劑的制備及性能研究*

崔玉民1，2肖 依1朱良俊1吳京威3姜欣宇1師瑞娟1，2李慧泉1，2

(1.阜陽師范學院化學與材料工程學院，安徽 阜陽 236037； 2.環(huán)境污染物降解與監(jiān)測安徽省重點實驗室，安徽 阜陽 236037； 3.武漢理工大學化工與生命科學學院，湖北 武漢 430070)

三聚氰胺 四苯基硼酸鈉 三氧化二銦B元素摻雜的g-C3N4催化劑 光催化 甲基橙 亞甲基藍

近年來，為了提高g-C3N4催化活性，人們研究了很多改性方法。對g-C3N4進行改性的非金屬元素包括S、N、C、B等。YAN等[1]采用加熱分解三聚氰胺與氧化硼的混合物制備了B元素摻雜的g-C3N4催化劑(CNB)，X射線光電子能譜(XPS)分析表明B取代了g-C3N4結構中的H，光催化降解染料研究表明B元素摻雜提高了催化劑對光的吸收，因此羅丹明B光催化降解效率也得到提高。WANG等[2]報道了B、F摻雜g-C3N4的研究，用NH4F作為F源與二氰二胺制得F元素摻雜g-C3N4催化劑(CNF)，結果表明，F(xiàn)元素已摻入g-C3N4的骨架中，形成了C—F鍵，使其中一部分sp2C轉化為sp3C，從而導致g-C3N4平面結構不規(guī)整。后來，WANG等[3]又用BH3NH3作為B源制備CNB，對其表征發(fā)現(xiàn)，B元素摻入取代了g-C3N4結構單元中的C元素。LIN等[4]采用四苯硼鈉作為B源，在摻入B的同時，又因苯作為離去基團的作用使得g-C3N4形成薄層結構，層厚度為2～5 nm，降低了光生電子到達催化劑表面所需要消耗的能量，因此提高光催化效率。

三氧化二銦(In2O3)是一種重要的n型半導體，具有良好的電導率、較高的可見光透明度[5]，所以引起了人們的廣泛關注。并且，因為它具有較高的光催化活性等優(yōu)點而在污染物處理領域中得到應用[6]。研究發(fā)現(xiàn)，二元半導體復合是改善光催化效率較有效的方法，因為半導體復合后，光生載流子在不同能級之間發(fā)生傳遞及分離，抑制了載流子的復合，以便提高其光催化活性。本研究以三聚氰胺和四苯基硼酸鈉為原料，采用熱解法制備了CNB，然后將其與In2O3復合，經(jīng)過煅燒后制備了具有不同配比的In2O3/CNB，同時考察了In2O3/CNB降解甲基橙(MO)、亞甲基藍的光催化活性，這對于開發(fā)性能優(yōu)良的新型光催化材料具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

In2O3、三聚氰胺、四苯基硼酸鈉、MO、亞甲基藍、過氧化氫酶(CAT)、對苯醌(BQ)、異丙醇(IPA)、草酸銨(AO)均為分析純試劑。

CM200-FEG型透射電鏡顯微鏡(加速電壓200 kV，Philips公司)；MDX1000型熒光光譜儀；WQF-501型傅立葉變換紅外光儀；BL-GHX-V型光化學反應儀。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 制備CNB

稱取10.0 g三聚氰胺與2.5、5.0、10.0、20.0 mg的四苯基硼酸鈉，分別置于4個干燥潔凈的小燒杯中，再分別加入20 mL蒸餾水搖均勻，將小燒杯放在80 ℃水浴鍋中，蒸干。待水蒸干后把固體移入坩堝中，將樣品放入馬弗爐中550 ℃下煅燒2 h，即可制得CNB成品。

1.2.2 制備In2O3/CNB

準確稱取1.000 g干燥好的CNB載體與0.010 g In2O3，混合后在瑪瑙研缽中研磨20 min，混合均勻，把催化劑放入瓷坩堝內(nèi)，然后把該坩堝放入馬弗爐中于450 ℃下焙燒2 h，便制得In2O3、CNB質(zhì)量比為0.01的In2O3/CNB，簡寫為In2O3/CNB(0.01)。同樣方法制備In2O3/CNB(0.05)、In2O3/CNB(0.10)、In2O3/CNB(0.90)。

1.3 催化劑結構和形貌表征

利用透射電子顯微鏡(TEM)對In2O3和In2O3/CNB(0.10)的結構和形貌進行表征。

1.4 催化劑光催化活性的測定

準確稱取0.050 g In2O3/CNB或In2O3粉末于石英管中，分別加入40 mL 2.50 mg/L MO(或亞甲基藍)溶液，并各自加入一個聚四氟乙烯攪拌子。把石英管置入光化學反應儀中，在持續(xù)攪拌下，暗反應30 min，取樣離心分離，測其吸光度，記為A0。然后，開啟光源，進行光照1 h，取樣離心分離，測其吸光度，記為At。利用式(1)計算降解率(W，%)[7]，以降解率表征光催化活性。MO、亞甲基藍的測定波長分別為464、664 nm。

W=(A0-At)/A0×100%

(1)

1.5 清除劑對催化劑光催化活性的影響

準確稱取0.050 g In2O3/CNB(0.10)粉末于5個石英管中，分別加入40 mL 5.00 mg/L MO溶液，并編號為1#～5#。然后，2#～5#石英管內(nèi)再分別加入5.000 μL IPA、0.004 g AO、0.004 g BQ、3.800 μL CAT。5個石英管內(nèi)各加入一個聚四氟乙烯攪拌子。之后步驟同1.4節(jié)，根據(jù)降解率考察清除劑對催化劑光催化活性的影響。

2 結果與討論

2.1 TEM分析

從圖1可看出，In2O3有較規(guī)整的幾何外形和較大的粒徑，顆粒的粒徑分布相對較寬；In2O3/CNB(0.10)顆粒尺寸不一，粒徑分布范圍較窄，In2O3在CNB載體表面的分布不均勻。

2.2 催化劑光催化活性

由圖2可以看出，In2O3/CNB的光催化活性較In2O3均提高。降解率隨In2O3、CNB質(zhì)量比的增大先增大，In2O3/CNB(0.10)的MO、亞甲基藍降解率均達到最高，分別為47.6%、73.5%；然后，降解率隨In2O3、CNB質(zhì)量比的繼續(xù)增大而降低。

2.3 清除劑影響

圖1 催化劑TEM圖像Fig.1 TEM images of catalyst samples

注：a—In2O3；b—In2O3/CNB(0.01)；c—In2O3/CNB(0.05)；d—In2O3/CNB(0.10)；e—In2O3/CNB(0.90)。圖2 不同催化劑的光催化活性Fig.2 The activity of UV light of photocatalytic degradation with In2O3/CNB of the different content of In2O3

In2O3+hv(紫外)e+h+

(2)

CNB+hv(紫外)e+h+

(3)

e+O2·O2-

(4)

e+·O2-+2H+H2O2

(5)

H2O2+e·OH+OH-

(6)

H2O2+hv(紫外)2·OH

(7)

2e+2H+H2

(8)

MO+·O2-產(chǎn)物

(9)

MO+·OH產(chǎn)物

(10)

MO+H2O2產(chǎn)物

(11)

MO+h+產(chǎn)物

(12)

圖3 清除劑對催化劑光催化活性的影響Fig.3 Effects of removing reagents on the activity of photocatalytic degradation

3 結 論

(1) In2O3/CNB的光催化活性較In2O3均提高，其中In2O3/CNB(0.10)的MO、亞甲基藍降解率均達到最高，分別為47.6%、73.5%。

(3) 適量的In2O3與CNB復合可顯著抑制光生電子和空穴對的復合，提高了光生電子和空穴對的分離效率，進而提高了In2O3/CNB的光催化活性。

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StudyonpreparationandphotocatalyticpropertyofIn2O3/CNB

CUIYumin1，2，XIAOYi1，ZHULiangjun1，WUJingwei3，JIANGXinyu1，SHIRuijuan1，2，LIHuiquan1，2.

(1.CollegeofChemistryandMaterialsEngineering，F(xiàn)uyangNormalCollege，F(xiàn)uyangAnhui236037；2.AnhuiProvincialKeyLaboratoryforDegradationandMonitoringofPollutionoftheEnvironment，F(xiàn)uyangAnhui236037；3.DepartmentofChemicalEngineeringandLifeScience，WuhanUniversityofTechnology，WuhanHubei430070)

tripolycyanamide; tetrapheny sodium borate; In2O3; CNB; photocatalysis; methyl orange; methylene blue

2015-11-10)

崔玉民，男，1963年生，碩士，教授，碩導，研究方向為光催化。

*安徽省自然科學基金資助項目(No.1408085MB35、No.1608085MB34)；安徽省高等學校省級自然科學研究項目(No.KJ2016SD46、No.KJ2014A191、No.2015KJ008)；阜陽師范學院校企合作實踐教育基地項目(No.2013SJJD05)；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(No.201510371011、No.AH201410371010)；阜陽師范學院科研機構校級委托專項課題(No.2015HJJC01ZD)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.006