磷酸银微米粒子制备的设计-课程设计

磷酸银微米粒子制备的设计摘要本实验利用银氨辅助法成功制备出了尺寸介于1-10μm范围内的立方体磷酸银颗粒，然后用金相显微镜对其形貌进行了表征，最后通过降解甲基橙的实验研究了立方体磷酸银的光催化性能。关键词:微米磷酸银银氨辅助法甲基橙光催化一、介绍随着全球经济的快速发展,工业化进程的不断推进,导致大气以及水污染越来越严重,全球的大气污染和水资源短缺问题日益突出。雾霾频现、水资源短缺以及全球变暖使人们逐渐到环境问题与人类的生存和发展密切相关。为此，科学家研究和开发了一系列用于环境污染物治理的新方法和新技术。研究发现半导体光催化材料在室温条件下可以直接利用太阳能来驱动催化反应，从而达到降解污染物的目的。因此，近年来半导体光催化材料在光催化方面的应用越来越受到人们的重视。所谓光催化就是指在光照下触媒被激发，促使与触媒接触的物质发生变化的过程。对于半导体光催化剂的光催化机理如下图所示：在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子数很少。当用能量大于或者等于半导体禁带宽度的光照射半导体时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。同时，在价带留下一个自由空穴，即产生电子-空穴对。他们分别具有很强的还原性和氧化性。一些自由电子和空穴会在半导体内部或者表面发生复合，然后以热能或者其他形式的能量释放出来；还有一些自由电子和空穴会和吸附在半导体光催化剂表面的物质发生氧化还原反应，从而降解污染物。现阶段被人们研究的最为透彻并在生活中应用最为广泛的莫过于TiO2光催化剂，因其降解污染物的能力较强,无毒无害,造价低廉,一直受到人们的广泛关注。但是由于其禁带宽度较宽（约为3.2ev）,由半导体产生本征激发的条件可知：TiO2只能在波长较短的紫外光的照射下发生光催化作用,而在太阳光中紫外光所占的比重大约为3%-5%,使得Ti02光催化剂的太阳光能利用率较低。为了更大限度地利用太阳光，人们期待能开发出更高效的可见光响应型光催化剂。针对这一问题，日本物质与材料研究机构光触媒材料中心的叶金花教授研究发现具有比较窄的禁带宽度的新型Ag3PO4半导体光催化材料可以吸收580nm以下的太阳光，在可见光中的量子产量高达90%，并且具有强大的氧化能力。因此，新型Ag3PO4半导体光催化材料具有很大的研究意义和潜在价值。二、实验部分2.1化学试剂硝酸银（AgN03，分析纯99%），浓氨水（25%-28%），磷酸氢二钠，本实验中所用的水均为去离子水。2.2银氨辅助法制备微米立方磷酸银颗粒银氨溶液的配置：取0.100g硝酸银溶于适量去离子水中，然后滴加168ul浓氨水（25%-28%）溶液，形成无色透明溶液。立方磷酸银的制备：在60。将0.07g磷酸氢二钠（Na2HPO4）溶于适量去离子水中。然后将磷酸氢二钠溶液直接和上述银胺溶液混合，剧烈搅拌30min，生成黄色沉淀。为了提纯微米级立方磷酸银粒子去除其溶液中多余的杂质，对其进行离心处理。去离子水和无水乙醇交替洗涤，各三次，每次1min，转数6000转每分钟。图1立方磷酸银的制备过程图解反应过程可有以下两个反应式表示：AgNO3+2NH3.H2O=[Ag(NH3)2]NO3+2H2O3[Ag(NH3)2]NO3+Na2HPO4=Ag3PO4+2NaNO3+6NH3.H2O三、结果和讨论3.1立方磷酸银颗粒的光学显微图像分析图2显示了不同标尺下微米磷酸银颗粒的金相显微镜图像。首先，从图2中，我们可以很容易看到制备的磷酸银颗粒具有很规则的立方形貌。从图2（a）中，可以看出立方磷酸银颗粒的尺寸大致相同，说明我们所制备的立方磷酸银颗粒具有很好的均一性。图2（b）为标尺为5μm的微米立方磷酸银颗粒，边长大约为3.7μm。图2不同标尺下的立方磷酸银颗粒形貌图为了研究立方规则形貌的和不规则形貌的半导体磷酸银颗粒的光催化性能，我们在60摄氏度下分别制备了立方规则形貌的和不规则形貌的半导体磷酸银颗粒。如图3所示，（a）和（b）是60摄氏度下具有立方规则形貌和不规则形貌的磷酸银颗粒图像，（c）是60摄氏度下具有不规则形貌磷酸银颗粒的图像，（d）是对立方规则形貌磷酸银颗粒所做的粒径分布图。从图3（d）中，我们可以看出立方规则形貌磷酸银颗粒最大边长为4.1μm，最小边长为2.1μm，平均边长为3.2μm。图360摄氏度下不同形貌的磷酸银颗粒金相显微图3.2磷酸银光催化剂的光催化性能研究在本实验中所制备的磷酸银粒子的光催化性能通过甲基橙降解实验来表征。甲基橙初始浓度为5mg/L，光催化剂均取50mg。图4不同磷酸银样品甲基橙降解活性曲线如图4所示，曲线1和2分别表示立方规则形貌磷酸银和不规则形貌磷酸银样品甲基橙降解活性曲线。首先，通过图4，我们可以发现磷酸银粒子都具有较好的光催化性能。其次，通过比较分析，可以看出具有立方规则形貌磷酸银的光催化剂光催化性能要优于具有不规则形貌的磷酸银的光催化性能。通过以下公式可以计算不同磷酸银样品降解甲基橙的平均降解速率（R）：t0CCR其中C0为甲基橙的初始浓度，C为经过可见光照射一段时间后测量的浓度值，t为降到某个浓度值所用的时间。在这里我们取时间为40min，分别计算不同磷酸银样品在前40min内的降解甲基橙的平均降解速率:磷酸银样品编号C0C（40min）R15mg/L2.5mg/L0.06125mg/L4.42mg/L0.009通过计算，前40min内立方规则形貌磷酸银的平均降解速率是不规则形貌磷酸银的平均降解速率的6.8倍。我们得出磷酸银粒子的光催化性能在很大程度上和磷酸银粒子的形貌有直接关系。立方体形貌的磷酸银在其表面有大量规则的角和边，这可能有效地增加了其表面光催化活性中心的数量，使得有机污染物在光催化剂表面的吸着过程变得更加容易，最终促进了有机污染物与光致空穴的降解反应。另外具有规则立方体形貌的磷酸银可能在某些程度上阻止了一部分光生电子-空穴对在其本体或者表面的复合。也有文献报道，磷酸银立方晶体具有更高光催化活性的原因是其｛100｝晶面具有很高的表面能。四、小结在本次课程设计实验中，我们通过银氨辅助法成功制备了尺寸介于1-10μm范围内的立方磷酸银颗粒。然后用金相显微镜对其形貌进行了表征，并用nanomeasure测量软件对立方体形貌的磷酸银粒径分布进行了统计，平均边长为3.2μm。最后，通过光催化降解甲基橙的实验研究了不同磷酸银样品的光催化性能，得出具有立方规则形貌磷酸银的光催化剂光催化性能要优于具有不规则形貌的磷酸银的光催化性能。