薛麗梅, 王繼文, 梁爾淼
(黑龍江科技大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院, 哈爾濱 150022)
抗生素廣泛用于農(nóng)牧業(yè)中,它進(jìn)入動(dòng)物體后絕大多數(shù)會(huì)被排出體外,進(jìn)入地下水、地表水中。水體中的抗生素不僅會(huì)危害水生生物的生長(zhǎng)繁殖,還會(huì)影響人類的生命健康[1]。為此,加快對(duì)抗生素的降解,緩解其對(duì)環(huán)境的破壞和對(duì)人類健康的危害尤為重要。半導(dǎo)體光催化氧化法是在光照及催化劑等條件作用下對(duì)抗生素進(jìn)行氧化分解,使其成為無(wú)毒的小分子的一種方法。因其經(jīng)濟(jì)成本低、適用范圍廣、操作安全、無(wú)二次污染等特點(diǎn),受到了研究者們的關(guān)注。二氧化鈦(TiO2)以其氧化還原電位高、化學(xué)穩(wěn)定性好、無(wú)毒性和低成本等優(yōu)點(diǎn)被用于半導(dǎo)體光催化研究中[2]。但TiO2禁帶寬度約為3.2 eV,可見光對(duì)其無(wú)響應(yīng),光生電子-空穴容易快速?gòu)?fù)合導(dǎo)致光催化效率和量子效率低,加之TiO2粉末在水體中難回收、活性成分損失大,其應(yīng)用受到了限制。
將TiO2制成TiO2納米棒陣列膜(TNAs膜)是一種提高光催化活性和實(shí)用性的可行方法[3]。納米棒陣列膜不需要離心過(guò)濾等操作就能快速?gòu)乃w中分離,從而減少活性成分的損失,提高光催化劑的環(huán)境友好性以及實(shí)用性。與TiO2納米球[4]、TiO2納米管[5]和其他分層微結(jié)構(gòu)[6]相比,TiO2納米棒陣列(TNAs)結(jié)構(gòu)可獲得更大的比表面積,并成為界面間電荷轉(zhuǎn)移的良好電子滲透通道,增加活性位點(diǎn)[7]。納米棒結(jié)構(gòu)可使TiO2獲得量子尺寸效應(yīng),讓光生電子沿一維的納米棒有序傳輸,快速地與表面的活性物質(zhì)反應(yīng),降低光生電子-空穴的復(fù)合率,提高其光催化活性[8]。另外,針對(duì)TiO2較寬的禁帶導(dǎo)致可見光響應(yīng)差的限制,可以對(duì)其進(jìn)行改性處理,如離子摻雜、貴金屬沉積、半導(dǎo)體復(fù)合等,獲得可見光響應(yīng)[9]。其中,半導(dǎo)體復(fù)合是一種提高可見光響應(yīng)能力的有效方法,窄帶隙的半導(dǎo)體材料與TiO2復(fù)合后可降低禁帶寬度,拓展光響應(yīng)范圍,并形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)抑制光生電子-空穴復(fù)合,提高光催化活性[10]。BiOI是一種禁帶寬度為1.75 eV的窄帶隙半導(dǎo)體材料,具有可見光響應(yīng)能力及高空穴遷移率,在光催化領(lǐng)域有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力[11]。Liu Z Y等[12]通過(guò)電化學(xué)法在鈦網(wǎng)上制備出TiO2納米管陣列(TiO2NTs),隨后通過(guò)溶劑熱法在其上沉積了BiOI制備出TiO2NTs/BiOI光催化膜,BiOI提高了TiO2納米管陣列的光響應(yīng)范圍。該光催化膜在模擬太陽(yáng)光照射下對(duì)甲基橙、羅丹明B以及亞甲基藍(lán)的光催化降解率均達(dá)到90%以上,而對(duì)Cr(VI)的光催化降解率也達(dá)到70%以上。Odling G等[13]通過(guò)模板法將TiO2固定在FTO玻璃上制備出TiO2膜,隨后通過(guò)SILAR法將BiOI沉積在TiO2上制備出TiO2/BiOI光催化膜,TiO2膜沉積BiOI后,光響應(yīng)能力得到了提高,TiO2與BiOI之間形成了n-p異質(zhì)結(jié),抑制了光生電子-空穴的復(fù)合,提高了光催化能力,該光催化膜對(duì)羅丹明B以及4-氯酚具有較好的光催化降解能力??梢?,窄帶隙的BiOI可以拓展TiO2的光響應(yīng)范圍,形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),提高光催化活性,但有關(guān)TNAs膜與BiOI復(fù)合的光催化應(yīng)用研究卻鮮有報(bào)道。因此,可將BiOI與TNAs膜復(fù)合,獲得在太陽(yáng)光下具有較高光催化活性的BiOI/TNAs膜。
筆者采用一種簡(jiǎn)單的水熱法在FTO玻璃上生長(zhǎng)出TNAs膜,通過(guò)SILAR法在TNAs上沉積BiOI,制備出BiOI/TNAs膜,并以土霉素為模擬抗生素污染物,探究了BiOI/TNAs膜制備條件對(duì)抗生素降解效率的影響。
實(shí)驗(yàn)材料:鈦酸四丁酯,AR,上海展云化工有限公司;鹽酸,AR,哈爾濱市鑫田科技有限公司;五水硝酸鉍,AR,天津市福晨化學(xué)試劑廠;碘化鉀,AR,天津市永大化學(xué)試劑有限公司;乙二醇,AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無(wú)水乙醇,AR,哈爾濱市鑫田科技有限公司;土霉素,云南白藥集團(tuán)股份有限公司;去離子水,自制;FTO導(dǎo)電玻璃(7 Ω,100 mm×100 mm×2.2 mm)。
樣品的XRD測(cè)試在德國(guó)Bruker D8 Advance型X射線衍射儀(40 kV,40 mA)上進(jìn)行,選用Cu-Kα 輻射(λ=0.154 06 nm);表面形貌測(cè)試在荷蘭Phenom Pro X 掃描電子顯微鏡上進(jìn)行,加速電壓10 kV;光響應(yīng)范圍測(cè)試通過(guò)德國(guó)耶拿分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的Specord Plus型紫外-可見漫反射光譜儀進(jìn)行,以BaSO4為參比測(cè)定樣品,掃描范圍為380~1 100 nm。
1.3.1 TNAs膜
將FTO玻璃裁成30 mm×15 mm的尺寸,使用無(wú)水乙醇及去離子水清洗、干燥。在磁力攪拌下將鈦酸四丁酯逐滴加入30 mL濃鹽酸與去離子水體積比為1∶1的鹽酸溶液中,繼續(xù)攪拌至混合溶液變?yōu)槌吻濉TO導(dǎo)電面朝下斜靠在50 mL內(nèi)襯為聚四氟乙烯的水熱釜中,將前驅(qū)液移入水熱釜中,進(jìn)行水熱反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后待其冷卻,取出樣品用去離子水洗去樣品表面的殘余溶液,在60 ℃下真空干燥2 h,即獲得TNAs膜。通過(guò)調(diào)節(jié)鈦酸四丁酯添加量V、水熱時(shí)間t、水熱溫度θ等條件以獲得形態(tài)較好的TNAs膜。不同TNAs膜的制備條件如表1所示。
1.3.2 BiOI/TNAs膜
配制0.05 mol/L的硝酸鉍溶液及碘化鉀溶液,將TNAs膜浸入硝酸鉍溶液1 min,使Bi3+吸附在TNAs膜上,隨后使用去離子水漂洗10 s,洗去漂浮在膜上未吸附的Bi3+;再將TNAs膜浸入碘化鉀溶液1 min,使KI與Bi3+發(fā)生反應(yīng),在TNAs膜上沉積BiOI,隨后使用去離子水漂洗10 s。這樣一個(gè)步驟稱作一次沉積,重復(fù)數(shù)次即可獲得BiOI/TNAs膜,記為BiOI/TNAs-X。其中X為沉積次數(shù),分別為2、4、6、8和10次。
光催化降解實(shí)驗(yàn)以300 W的氙燈(λ=190~1 100 nm)為光源。將樣品加入到50 mL模擬污染物(5 mg/L土霉素溶液)中,避光攪拌10 min,達(dá)到吸附-脫附平衡后,在氙燈照射下進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn),每隔20 min取土霉素溶液一次。使用紫外可見分光光度儀,在354 nm處測(cè)定土霉素溶液的吸光度A,土霉素降解率D的計(jì)算公式為
式中:D——降解率,%;
ρ0——土霉素的初始質(zhì)量濃度,mg/L;
ρt——t時(shí)刻土霉素的質(zhì)量濃度,mg/L;
A0——土霉素的初始吸光度值;
At——t時(shí)刻土霉素溶液的吸光度值。
2.1.1 SEM形貌調(diào)控
圖1為不同水熱溫度的TNAs膜的SEM圖。當(dāng)鈦酸四丁酯添加量為0.5 mL、水熱時(shí)間為8 h,水熱溫度為140 ℃時(shí),TiO2棒分布較為均勻,但仍然會(huì)出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象,形貌較差(圖1a)。圖1b為樣品T5的正面SEM圖。當(dāng)其他條件不變,水熱溫度為150 ℃時(shí),TiO2納米棒在FTO基底上分布均勻,取向一致,納米棒之間未出現(xiàn)交叉接觸,整體排列有序,整體形成納米棒陣列形貌。圖1c為樣品T6的正面SEM圖。當(dāng)其他條件不變,水熱溫度增加到160 ℃時(shí),TiO2納米棒可以形成陣列形貌,但部分TiO2納米棒會(huì)聚集在一起,形成板塊狀,不利于光催化的進(jìn)行。
圖2為不同水熱時(shí)間的TNAs膜的SEM圖。圖2a為樣品T7的截面SEM圖。當(dāng)鈦酸四丁酯添加量為0.5 mL、水熱溫度為150 ℃,水熱時(shí)間為6 h時(shí),TiO2納米棒參差不齊,部分納米棒的生長(zhǎng)長(zhǎng)度較短,納米棒陣列形貌較差。圖2b為樣品T8的截面SEM圖。當(dāng)其他條件不變,水熱時(shí)間為8 h時(shí),TiO2納米棒大部分垂直于底部均勻地豎直生長(zhǎng),且生長(zhǎng)方向、生長(zhǎng)長(zhǎng)度一致,具有良好的取向性。圖2c為樣品T9的截面SEM圖。當(dāng)其他條件不變,水熱時(shí)間增加到10 h時(shí),納米棒的生長(zhǎng)長(zhǎng)度會(huì)變長(zhǎng),且生長(zhǎng)密度也會(huì)增加,納米棒之間的間隙減少,光催化活性位點(diǎn)減少,從而降低光催化性能。
為獲得形貌較好的TNAs膜,在對(duì)水熱溫度及水熱時(shí)間等條件進(jìn)行探討后,繼續(xù)對(duì)鈦酸四丁酯添加量進(jìn)行了研究。圖3為不同鈦酸四丁酯添加量的TNAs膜的SEM圖。
圖3 不同鈦酸四丁酯添加量的TNAs膜Fig. 3 TNAs films with different addition amounts of tetrabutyl titanate
由圖3a可以看出,當(dāng)鈦酸四丁酯添加量為0.25 mL、水熱溫度為150 ℃、水熱時(shí)間為8 h時(shí),F(xiàn)TO表面生長(zhǎng)的TiO2納米棒數(shù)量較少,生長(zhǎng)密度較低,納米棒出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象,不能形成納米棒陣列形貌。圖3b為樣品T2正面的SEM圖。TiO2納米棒在FTO基底上分布均勻,取向一致,納米棒之間未出現(xiàn)交叉接觸,整體排列有序,整體形成納米棒陣列形貌。圖3c 為樣品T2剝離的單個(gè)TiO2納米棒的SEM圖。TiO2呈現(xiàn)納米棒狀結(jié)構(gòu),長(zhǎng)度約為2 μm,直徑約為150 nm,為納米尺寸。圖3d為樣品T3的SEM圖。當(dāng)其他條件不變,鈦酸四丁酯添加量增加到1 mL時(shí),TiO2納米棒生長(zhǎng)過(guò)于密集,出現(xiàn)了黏結(jié)現(xiàn)象,形成了板塊狀結(jié)構(gòu),不能形成納米棒陣列形貌。
由SEM表征分析可以看出,制備條件為鈦酸四丁酯添加量0.5 mL、水熱溫度150 ℃、水熱時(shí)間8 h時(shí),TNAs膜的表面形貌最好。在此條件下可制備出TiO2納米棒生長(zhǎng)長(zhǎng)度一致、生長(zhǎng)間距合適的TNAs膜。
2.1.2 XRD表征
圖4為樣品T2的XRD譜圖。由圖4可見,除FTO基底的特征衍射峰外,可以觀察到單純的TiO2晶相特征衍射峰,與四方金紅石相TiO2(JCPDS No.760317)特征衍射峰相吻合。主要特征峰位置2θ為36.0°、41.2°、54.3°、62.8°,分別與金紅石相TiO2的(101)、(111)、(211)、(002)晶面相對(duì)應(yīng)。而金紅石相TiO2的(110)晶面所對(duì)應(yīng)的2θ=27.4°的特征衍射峰大幅降低,(101)晶面對(duì)應(yīng)的2θ=36.0°的特征衍射峰有較大的增強(qiáng),(002)晶面對(duì)應(yīng)的2θ=62.8°的特征衍射峰顯著增強(qiáng),表明TiO2為單晶且垂直于底面朝著一個(gè)晶面取向生長(zhǎng),表現(xiàn)出納米棒陣列形貌的趨勢(shì)。這與TNAs膜的SEM表征結(jié)果相一致。納米棒陣列的形成機(jī)理,通常認(rèn)為是由于FTO襯底為四方金紅石晶相的SnO2,與四方金紅石晶相的TiO2的晶格失配率為2%。這種較小的晶格失配使TiO2很容易在FTO上外延成核及垂直生長(zhǎng),最終形成納米棒陣列[14-15]。
圖4 樣品T2的XRD譜Fig. 4 XRD spectra of sample T2
2.2.1 XRD表征
圖5為不同BiOI/TNAs膜的XRD譜圖。由圖5可見,所有的樣品特征衍射峰均較為尖銳,且具有較好的結(jié)晶度,所有樣品均可以觀察到四方金紅石相TiO2(JCPDS No.760317)特征衍射峰。此外,2θ為29.7°、31.7°、45.5°、55.3°時(shí)出現(xiàn)了新的特征衍射峰,分別與四方晶系BiOI(JCPDS No.732062)的(012)、(110)、(020)、(122)相對(duì)應(yīng)。隨著BiOI沉積次數(shù)的增加,2θ=31.7°所對(duì)應(yīng)的衍射峰逐漸增高。這表明樣品是由四方晶系BiOI與四方晶系金紅石相TiO2共同組成的。其中,四方晶系BiOI在2θ=29.7°所對(duì)應(yīng)的(012)晶面的衍射峰有明顯的減弱,而2θ=31.7°所對(duì)應(yīng)的(110)晶面衍射峰顯著增強(qiáng),說(shuō)明BiOI的主要暴露面可能為(001)晶面。
圖5 不同BiOI/TNAs膜的XRD譜Fig. 5 XRD spectra of different BiOI/TNAs films
2.2.2 SEM表征
圖6為不同BiOI/TNAs膜的SEM形貌。圖6a為BiOI/TNAs-2斜截面的SEM圖,經(jīng)過(guò)2次BiOI沉積后,較小的BiOI片狀顆粒覆蓋在TNAs表面,BiOI片狀顆粒分散均勻。這可以歸因于BiOI沉積次數(shù)較少,在TNAs表面隨機(jī)生長(zhǎng),未形成較大晶核,而TiO2納米棒陣列形貌未被破壞。圖6b為BiOI/TNAs-6正面的SEM圖,在經(jīng)過(guò)6次沉積后,BiOI形成絲狀以及條狀結(jié)構(gòu)覆蓋在TNAs表面,部分BiOI進(jìn)入TNAs的空隙之中,與TNAs的接觸面積增多。這有利于TiO2與BiOI之間的電子傳輸過(guò)程。圖6c為BiOI/TNAs-10正面的SEM圖,在沉積10次BiOI后,TNAs上附著的BiOI明顯增多,BiOI形成較大的片狀結(jié)構(gòu),覆蓋在TNAs表面,并將部分TiO2納米棒之間的空隙覆蓋,說(shuō)明經(jīng)過(guò)多次的BiOI沉積后BiOI片狀顆粒生長(zhǎng)成較大的BiOI片,平均尺寸及厚度也隨之增大,TNAs的空隙被蓋住。這會(huì)導(dǎo)致光催化膜的比表面積減少,以及對(duì)紫外光的吸收減弱,降低光催化活性。通過(guò)SEM表征可以看出,通過(guò)SILAR法,在不破壞TiO2納米棒陣列形貌的條件下,成功將BiOI沉積在TNAs上,制備出了BiOI/TNAs膜。
圖6 不同BiOI/TNAs膜的SEM形貌Fig. 6 SEM morphology of different BiOI/TNAs films
2.2.3 UV-Vis DRS表征
圖7為不同光催化膜的紫外可見漫反射吸收光譜圖。由圖7可以看出,TNAs膜在405 nm出現(xiàn)吸收邊,僅在紫外光區(qū)域具有光響應(yīng)。沉積BiOI后的BiOI/TNAs膜在550 nm附近出現(xiàn)了新的吸收邊,表現(xiàn)出多帶隙結(jié)構(gòu),對(duì)紫外光及可見光均具有光響應(yīng),且沉積次數(shù)越多,可見光響應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng),說(shuō)明窄帶隙BiOI可以有效擴(kuò)展TiO2的光響應(yīng)范圍。
圖7 不同光催化膜的紫外可見漫反射吸收光譜Fig. 7 UV-Vis DRS absorption spectra of different photocatalytic films
根據(jù)Kubelka-Munk 方程可以計(jì)算出不同光催化膜的禁帶寬度,其方程式為
Ahv=c(hv-Eg)2,
式中:A——摩爾吸收系數(shù);
h——普朗克常數(shù);
v——入射光子頻率;
c——比例常數(shù);
Eg——光學(xué)帶隙。
由Kubelka-Munk 方程擬合得出,TNAs膜的禁帶寬度為3.00 eV,BiOI/TNAs-2、BiOI/TNAs-4、BiOI/TNAs-6、BiOI/TNAs-8、BiOI/TNAs-10的禁帶寬度分別為 2.95、2.90、2.80、2.70、2.40 eV。可見,將TNAs與BiOI復(fù)合后,BiOI/TNAs膜的禁帶寬度相較于TNAs膜變窄了,降低了電子發(fā)生躍遷所需要的能量,擴(kuò)寬了TiO2的光響應(yīng)范圍。其在可見光區(qū)域的光量子效率提高,使光生電子-空穴對(duì)更容易發(fā)生分離,提高了光生電子-空穴對(duì)的生成速率。
圖8為不同光催化薄膜對(duì)抗生素的光催化降解曲線。在無(wú)光催化膜的條件下光照3 h,抗生素有10%左右的降解率。在加入TNAs膜后,光照相同時(shí)間,降解率僅為31%。這是由于TiO2僅在紫外區(qū)具有光響應(yīng),光利用率較低。加入BiOI/TNAs-2后,降解率提高了17%,表明TNAs在復(fù)合了窄帶隙的BiOI后,禁帶寬度變窄,在可見光的照射下即可激發(fā)電子躍遷,促進(jìn)光生電子-空穴對(duì)的分離,且BiOI與TiO2之間形成了異質(zhì)結(jié),抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合,提高了光催化性能[16]。加入BiOI/TNAs-4以及BiOI/TNAs-6后,相較于TNAs膜,降解率分別提高了20%和30%??梢姡S著BiOI沉積量的增加,復(fù)合膜帶隙越窄,可見光利用率越高,光催化活性也會(huì)增加。在加入BiOI/TNAs-8及BiOI/TNAs-10后,降解率相較于BiOI/TNAs-6反而下降了2%和18%。這是由于適量的BiOI可以均勻地分布在TNAs表面,當(dāng)BiOI復(fù)合量增大時(shí),BiOI會(huì)將TNAs表面覆蓋,減少膜表面活性位點(diǎn),抑制TNAs對(duì)光的吸收,減少光生電子空穴對(duì)的形成,從而抑制光催化活性[17]。
圖8 不同光催化膜對(duì)抗生素的光催化降解曲線Fig. 8 Photocatalytic degradation curves of antibiotics by different photocatalytic films
圖9為BiOI/TNAs-6光催化降解抗生素溶液在不同時(shí)間的吸收光譜??梢钥闯觯嚎股卦?54 nm波長(zhǎng)處具有最高的吸收峰;在光催化的前120 min內(nèi),隨著光催化的進(jìn)行,吸收峰的強(qiáng)度下降較快,在光催化進(jìn)行到120 min后,吸收峰趨于平穩(wěn)。這說(shuō)明在光催化降解初期,溶液中的抗生素含量較多,可以充分地吸附在光催化膜上,光催化效率較高,在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的光催化降解后,溶液中的抗生素含量降低,吸附在光催化膜上的抗生素減少,導(dǎo)致光催化效率降低,而經(jīng)過(guò)3 h的光催化降解后,大部分抗生素被降解。
圖9 BiOI/TNAs-6光催化降解抗生素溶液不同時(shí)間的吸收光譜Fig. 9 Absorption spectra of TNAs/BiOI-6 photocatalytic degradation of antibiotic solution at different times
光催化降解低濃度有機(jī)污染物的反應(yīng)為多相表面反應(yīng)過(guò)程。其動(dòng)力學(xué)可以用L-H模型的一級(jí)簡(jiǎn)化形式描述,其方程式為
ln(ρt/ρ0)=kEt,
式中:ρt——t時(shí)刻抗生素質(zhì)量濃度,mg/L;
ρ0——抗生素原始質(zhì)量濃度,mg/L;
kE——準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù);
t——降解時(shí)間,min。
圖10為不同光催化膜的一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線。根據(jù)L-H模型計(jì)算出光催化膜的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù),TNAs膜降解抗生素一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.001 98 min-1,在沉積BiOI后,BiOI/TNAs-2、BiOI/TNAs-4、BiOI/TNAs-6、BiOI/TNAs-8、BiOI/TNAs-10的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為0.003 56、0.004 05、0.004 70、0.004 68、0.002 84 min-1,均高于TANs膜,而BiOI/TNAs-6的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)最大,為TNAs膜的2.4倍,有效地提高了光催化活性。
圖10 不同光催化膜的一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線Fig. 10 First order kinetics curve of different photocatalytic films
圖11 BiOI/TNAs膜的光催化機(jī)理Fig. 11 Photocatalytic mechanism of BiOI/TNAs film
(1)利用水熱法制備了TNAs膜。通過(guò)SILAR法在TNAs膜上沉積了BiOI,成功制備出BiOI/TNAs膜。四方晶系的BiOI均勻的沉積在金紅石相的TiO2納米棒陣列上,提高了TNAs膜的光響應(yīng)范圍,可將禁帶寬度降低至2.40 eV,使光生電子-空穴更加容易分離。TiO2與BiOI之間形成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),抑制了光生電子-空穴的復(fù)合,有效的提高了光催化性能。
(2)BiOI/TNAs膜最佳制備條件為水熱溫度150 ℃,水熱時(shí)間8 h,鈦酸四丁酯、鹽酸、水的體積比為1∶30∶30。BiOI沉積6次時(shí),BiOI/TNAs膜的光催化活性最好,光催化降解率為TNAs膜的2倍。