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还原氧化石墨烯复合方式对Ag-TiO2基光电极电子传输性能的影响
董双石1, 付绍珠1, 于洋2, 李超群1, 初义聪2     
1. 地下水资源与环境教育部重点实验室(吉林大学), 长春 130021;
2. 东北师范大学环境学院, 长春 130117
摘要: 为进一步提高Ag-TiO2光催化效能,制备了还原氧化石墨烯(rGO)复合Ag-TiO2基的光电极。先通过对比不同的复合方式探究rGO对Ag-TiO2光催化剂表面电子传输和四环素降解效能的影响;再通过电化学阻抗谱测量、莫特-肖特基曲线等电化学手段对电极进行表征。结果表明:分层复合方式主要降低载体表面控制电极双层/薄膜的界面电阻,而全混复合方式主要降低总电荷转移电阻;分层电极的电子供体浓度随rGO质量分数增加而增大;在rGO质量分数为0.45%和0.25%时,分层复合和全混复合材料对四环素的降解速率分别比Ag-TiO2提高11.4%和2.3%;在外加0.5 V偏压下,分层复合电极LG6降解效率比未加外偏压时提高了5.3%,而全混复合电极MG2效率没有提升。分层复合方式能更有效地提高光催化剂表面电子传输效能。
关键词: 还原氧化石墨烯    光催化    Ag-TiO2    复合方式    盐酸四环素    
Effect of Reduced Graphene Oxide Composite Method on Electron Transport Performance of Ag-TiO2 Based Photoelectrodes
Dong Shuangshi1, Fu Shaozhu1, Yu Yang2, Li Chaoqun1, Chu Yicong2     
1. Key Lab of Groundwater Resources and Environment(Jilin University), Ministry of Education, Changchun 130021, China;
2. School of Environment, Northeast Normal University, Changchun 130117, China
Abstract: The reduced graphene oxide (rGO) doped and Ag-TiO2 based photoelectrodes were prepared to study the effect of the composite method on the electron transport and tetracycline degradation by photocatalyst. The electrodes were characterized by electrochemical impedance spectroscopy and Mott-Schottky curve. The results showed that the interface resistance of the double-layer/thin film was reduced by the layered composite method on the surface of the carrier; while the total charge transfer resistance was mainly reduced by the fully mixed composite method. In addition, the concentration of the electron donor increased with the increasing of composite amount. When the rGO mass fraction was 0.45% and 0.25%, the degradation rate of tetracycline by the layered composite and the fully mixed doped electrode was 11.4% and 2.3% higher than that of Ag-TiO2, respectively. Under the applied 0.5 V bias voltage, the LG6 degradation efficiency of the layered composite electrode was increased by 5.3%; while the MG2 efficiency of the fully mixed composite electrode was not improved. The layered composite method can improve the electron transport efficiency more effectively on the surface of photocatalyst.
Key words: reduced graphene oxide    photocatalysis    Ag-TiO2    composite method    tetracycline hydrochloride    

0 引言

近年来,光催化技术在降解抗生素废水方面已受到广大研究者关注,其中光催化常用的二氧化钛(TiO2)是一种化学性质稳定、耐光腐蚀、安全无毒且成本低廉的光催化剂[1],但因其禁带宽度大(约3.2 eV),只能受紫外光激发,且产生的电子-空穴对容易复合,所以可见光催化效能有限[2]。研究者通过对TiO2进行掺杂改性以提高可见光下的催化效率。其中银单质掺杂改性方法简便,且纳米银产生的等离子共振作用有效改善了TiO2光响应范围,可实现可见光催化降解四环素等难降解的有机污染物[3-5]

石墨烯是一种性能优良的碳材料,具有高载流子迁移率[6]和高电导率[7],在光催化和储能方面受到广泛关注。其中,还原氧化石墨烯(rGO)相对于石墨烯表面含有更多未还原的含氧基团,这些含氧基团在电化学体系中能起到提高离子/电子扩散动力的作用[8]。针对rGO复合TiO2材料的研究[9-12]

表明,在光激发下TiO2产生的电子可转移到rGO表面,降低了电子-空穴分离率,从而提高了光催化效率。由此可见,采用rGO对TiO2进行复合可严重影响电子传输过程。然而,在制备过程中复合方式对其电子传输效能的影响还鲜见报道。

本研究首先在前期Ag-TiO2电极的研究基础上,对rGO在Ag-TiO2上采用两种复合方式,即分层复合法和全混复合法制备rGO改性的Ag-TiO2电极;然后选择四环素做目标污染物,通过电化学阻抗、莫特-肖特基曲线等电化学表征,分析复合方式对催化剂表面载流子传输以及光催化效率的影响。

1 材料与实验 1.1 rGO复合Ag-TiO2光催化阳极制备

Ag-TiO2粉末参照文献[13]制备,其中Ag的担载量为0.7%。电极基底采用氧化铟锡(ITO)导电玻璃(方阻3~5 Ω),平面尺寸为30 mm×30 mm。使用前依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声处理1 h。

1.1.1 分层复合法

分层复合法是在预处理后的导电玻璃导电面先负载rGO,然后采用旋转涂布法负载Ag-TiO2粉末。氧化石墨的还原参考文献[14],具体步骤如下:首先分别取0,0.2,0.4,0.6,1.0 mg/mL氧化石墨烯水溶液(济宁利特纳米技术有限公司)溶于无水乙醇中定容到100 mL;然后将预处理后的ITO导电玻璃浸渍于15 mL上述不同质量浓度的氧化石墨烯溶液并于80 ℃下烘干,随后浸渍于50.1 g/L水合肼溶液20 min完成氧化石墨的还原。在不加粘结剂情况下使用乙醇作为溶剂进行旋涂负载[15],将20 mg的Ag-TiO2粉末超声分散于5 mL无水乙醇中,并采用旋涂法将Ag-TiO2负载于导电玻璃上,通过称量保持电极上旋涂的催化剂总量为(0.003 0±0.000 2) g,设置参数为80 r/min旋涂5 s、200 r/min旋涂5 s。所得电极分别记为LG0、LG2、LG4、LG6、LG10,其rGO占催化剂总质量分数分别为0、0.15%、0.30%、0.45%、0.75%。

1.1.2 全混复合法

rGO的复合参考文献[16],步骤如下:将10 mL不同质量浓度氧化石墨烯水溶液与20 mL无水乙醇混合并超声1 h;随后加入0.2 g在1.1.1中所制备的Ag-TiO2粉末并搅拌2 h,将混合液转移到反应釜中于120 oC下水热处理3 h,使氧化石墨烯还原并与Ag-TiO2粒子结合;再将水热固体产物用去离子水清洗3次后烘干,得到Ag-TiO2/rGO粉末。上述粉末采用1.1.1节中的旋涂方法制备得到全混复合电极,其中氧化石墨烯占催化剂总质量分数为0.125%、0.250%、0.500%、1.000%的粉末所制备的电极分别记为MG1、MG2、MG4、MG8。

1.2 阳极材料表征

采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察电极表面形貌结构。SEM采用美国FEI公司Quanta 200型ESEM场发射环境扫描电镜,粉体材料负载于硅片上后测试,分层复合电极材料则在导电玻璃上直接测试。TEM采用美国FEI公司200 kV Tecnai F20型场发射投射电子显微镜,样品载体为200目铜网。

1.3 四环素降解

将电极置于50 mL四环素溶液(初始质量浓度ρ0为20 mg/L)中,以150 W氙灯作为光源,电极距离氙灯10 cm。每隔10 min取样,离心后采用分光光度法测定四环素质量浓度ρ,分光光度计工作波长为357 nm。此方法检测四环素质量浓度检出限约为0.40 mg/L[17]

1.4 阳极电化学测试

电化学阻抗(EIS)和莫特-肖特基(M-S)曲线使用上海辰华电化学工作站(CHI660e)进行测量。采用7.1 g/L硫酸钠作电解液,以标准Ag/AgCl电极为参比电极,1 cm×1 cm铂片电极为对电极,制备的电极为工作电极。EIS表征在开路电压下进行测试,频率范围0.1 ~100.0 Hz;M-S曲线在10 kHz进行测量,扫描速度为50 mV/s,电压范围为-0.8 ~0.1 V。

电极电位在20 mg/L四环素溶液和7.1 g/L硫酸钠电解质条件下进行测量,采用上述三电极体系,取样间隔为0.1 s,光照条件同1.3。

1.5 外加偏压下四环素降解

使用电化学工作站(CHI660e)在外加偏压0.5 V条件下进行20 mg/L四环素降解实验,溶液体积为50 mL,外加0.05 mol/L硫酸钠作为电解质,对电极和参比电极设置同1.4节,光源条件和测试方法同1.3节。

2 结果与讨论 2.1 电极形貌表征

图 1为制备的粉末材料与电极材料的SEM和TEM图。从图 1a可见,制备的Ag-TiO2为光滑圆球状纳米级颗粒,且从图 1b中可看出清晰的TiO2和Ag单质晶格,晶格条纹清晰且数量多,结晶度较好。图 1c, d分别为全混复合Ag-TiO2/rGO粉末的SEM和TEM,可看出全混复合法Ag-TiO2粉末均匀分散在rGO周围,rGO为薄片状,厚度小。图 1e为全混复合法制备的电极,可以看到Ag-TiO2粉末均匀分散在电极表面,同时一部分粉末附着在片状rGO上。图 1f显示分层复合法电极表面被Ag-TiO2粉末完全覆盖,没有看到片状rGO,内插图为分层复合法制备的rGO,其表面光滑,少堆叠,形貌介于氧化石墨和石墨烯之间。通过红外光谱可观察两种复合方式电极rGO的还原程度,即氧化石墨得到了有效还原,并且两种还原方式rGO还原程度近似。

a. Ag-TiO2粉末SEM图;b. Ag-TiO2粉末TEM图;c. Ag-TiO2/rGO粉末SEM图;d. Ag-TiO2/rGO粉末TEM图;e.全混复合法电极SEM图;f.分层复合法电极SEM图,内插图为分层复合法rGO粉末SEM图。 图 1 电极形貌表征 Fig. 1 Characterization of prepared anode
2.2 电极EIS表征

EIS表征的奈奎斯特图如图 2所示。参考Hou Yanping等[18]的研究,图 2中的数据为使用ZSimpWin软件通过构建R(C(R(CR)))等效电路(R为电阻,C为电容)并使用迭代法进行拟合后的数据。图 2中低频段半圆的直径代表RSC,直径越大,则RSC越大[19]

a.分层复合电极;b.全混复合电极,内插图为等效电路图。RS为溶液电阻;Rdl为双层/薄膜的界面电阻;RSC为总电荷转移电阻;Z为阻抗。常相位角元件(constant phase angle element)CPEdl和CPESC用来代替理想电容器。 图 2 不同复合方式电极EIS表征拟合图 Fig. 2 EIS characterization fitting diagram of electrodes with different composite methods

两电极三部分电阻值的拟合数据见表 1。从表 1可看出:分层复合法所制备电极的双层/薄膜界面电阻均明显小于全混复合法;分层复合电极中LG10的总电荷转移电阻最小,全混复合电极随rGO质量分数的增加,总电荷转移电阻逐渐增大。

表 1 不同电极EIS拟合数据 Table 1 EIS fitting data of different electrodes
电极种类RSRdlRSC
LG02.6516.66110.10
LG22.4115.6455.19
LG45.2114.5649.56
LG64.6211.1059.16
LG104.8811.3945.41
MG111.7421.8616.49
MG212.9125.5221.59
MG415.0226.3523.32
MG816.2027.2624.71

对于分层复合电极,从LG0到LG6,Rdl值随rGO质量分数的增加而减小,LG6电极的Rdl值达到最小;说明其表面与体相溶液的电子转移电阻最小。rGO质量分数的增加在一定程度上促进了TiO2光生电子转移,使得电子-空穴对分离效率提高。rGO改变Rdl值的原因受两方面因素制约:一方面电子转移增加,使电极表面与体相溶液交换的电子数量减少;另一方面分离效率增加后总电子密度增加,使Rdl增大。LG10电极Rdl值大于LG6,说明LG10的电子密度增加的影响大于电子转移的影响。在两种作用的影响下,LG6电极为平衡态下双层/薄膜电子转移电阻最小的分层复合电极。此外,LG0电极的RSC值显著大于其余电极,说明rGO的复合可大大减小光照下电极表面产生的总电荷转移电阻。

对于全混复合电极,随rGO质量分数的增大,三部分电阻值均有增加。全混电极材料固相体系均匀,rGO的总体质量分数很小,相当于Ag-TiO2中增加了“粗糙度”,这种情况可能导致催化剂内部的电子积累,造成电极阻抗的增加。这一点将在电极电位测量中得到进一步验证。

2.3 不同复合方式电极M-S表征

为了不改变载流子分布,在避光条件下测量M-S曲线,结果如图 3所示。曲线斜率为正,符合n型半导体性质以及TiO2载流子特征[20]。对MG2、MG4、MG8电极来说,随rGO质量分数的增加,全混复合电极电容值C升高(即1/C2值降低),这与电极阻抗谱测量结果一致。

a.分层复合电极;b.全混复合电极。 图 3 不同复合方式电极M-S表征 Fig. 3 M-S characterization of electrodes with different composite methods

为进一步对比复合方式对电极的影响,比较空间电荷层内的载流子浓度和平带电位,同时分析复合方式对TiO2导带位置的影响,块状半导体符合莫特-肖特基关系式,n型半导体满足如下公式[21]

(1)

式中:CSC为半导体电容,μF/cm2ε为半导体的相对介电常数,在纳米TiO2薄膜的研究中可取100[21]ε0为真空介电常数,取8.85×10-14 F/cm;e为单位电荷,取1.60×10-19 C;ND为电子供体浓度,cm-3φfb为平带电位,V;φ为外加电位,V;κ为玻尔兹曼常数,取1.38×10-23 J/K;T为温度,本文取298 K。

NDφfb的计算结果如表 2所示,可知所制备的电极材料具有较高的电子供体浓度。随着rGO质量分数的增加,分层复合电极LG2—LG10中ND测量值逐渐增加,φfb值在LG6处最低;而全混复合电极的ND值先增大后减小,φfb值呈波动状态。两种电极特征参数规律不同,显示了其对TiO2载流子影响机制不同。φfb值越小,耗尽层内电场越强,电子-空穴对分离的驱动力越强[21-22]。rGO具有良好的导电性,当采用分层复合时,rGO质量分数的增加加速了TiO2产生的电子定向导入外电路。值得注意的是,LG2电极的ND值低于LG0,说明当rGO质量分数过低时,可能形成电子-空穴对的复合中心,降低电子供体密度[23]。对于全混复合电极,rGO质量分数的增加促进了TiO2电子-空穴对的分离,但质量分数过高时,rGO可能由于团聚作用导致电子积累,使电子供体密度降低。因而需要综合分析其ND 以及φfb值,结合EIS分析等确定最佳性质的rGO质量分数,并且需要根据实际光催化中降解的目标污染物进行具体分析。

表 2 不同复合方式电极的n型半导体特征参数 Table 2 N-type semiconductor characteristic parameters of electrodes with different composite methods
电极种类ND /(1023 cm-3)φfb /V
LG06.512-0.815
LG24.738-0.959
LG47.611-0.751
LG68.521-1.061
LG109.882-0.676
MG14.716-0.822
MG25.644-0.681
MG47.323-0.805
MG86.010-0.659
2.4 复合方式对电极降解四环素的影响

图 4为所制备电极可见光催化降解四环素结果,为了排除材料吸附对降解实验的影响,实验中电极经避光吸附平衡后再开灯进行降解[24]。分层复合法由于Ag-TiO2起主要吸附作用,图 4a中显示LG0吸附量约为8.5%;图 4c中全混复合电极在20 min吸附平衡时对四环素的吸附在6.1%~7.5%之间。分层复合电极的吸附结果高于全混复合电极,一方面由于Ag-TiO2颗粒较小,吸附能力较强;另一方面是由于全混复合电极中rGO的复合质量分数很小(质量分数不超过1.000%),因此对四环素的吸附于分层电极相差不大。

a.分层复合电极;b.分层复合电极拟一级动力学拟合;c.全混复合电极;d.全混复合电极拟一级动力学拟合。k为反应速率常数;R为相关系数。 图 4 不同电极降解四环素及其拟一级动力学拟合图 Fig. 4 Degradation of tetracycline by different composite electrodes and its pseudo first-order kinetic fit figure

分层复合电极LG0,LG2,LG4,LG6,LG10的降解效率分别为74.0%,68.9%,75.9%,85.4%,74.5%(图 4b);全混复合电极MG1,MG2,MG4,MG8的降解效率分别为64.8%,76.3%,68.6%,62.8%(图 4d)。其中LG6和MG2比LG0降解四环素效率分别提高了11.4%和2.3%。在EIS和M-S表征中,LG6为Rdlφfb值最低的分层复合电极,其降解效率在分层电极中也最高。全混复合电极MG2的降解效果最好,但其NDφfb值的测试结果与这一现象不符;而EIS测试中MG2阻抗相对较小,说明影响混合电极降解效果的因素需要通过实验判断。

2.5 阳极电极电位分析

为分析两种电极与四环素接触及表面荷电状况,选择分层复合电极LG6和全混复合电极MG2,进一步测定光照前后的电极电位,结果如图 5所示。由图 5可见:无光照条件下,两种电极电位值接近;当光照时,两种电极的电位迅速降低至稳定的光激发电位,且LG6电极的光激发电位(-0.327 5 V)比MG2(-0.000 9 V)更低。在理想条件下,电极受光激发后半导体界面反映的能级位置应靠近半导体导带位置[25],而LG6电极和MG2电极实测值没有M-S曲线中测量的导带值低。这是因为有光生电子及活性氧组分与溶液中四环素发生反应,造成阳极电位升高。光照前后电极电位差值减小,说明产生的光生电子能迅速转移;差值越小,说明阳极表面积累的电子越少,光生电子越容易在电极表面与溶液间转移。

图 5 不同复合方式电极处理四环素废水阳极电极电位对比 Fig. 5 Comparison of anode potential of different composite methods electrodes for tetracycline wastewater treatment
2.6 外加偏压下四环素降解实验

外加偏压下四环素降解实验结果如图 6所示,其中LG6电极外加0 V和0.5 V偏压下降解效率分别为80.0%和85.3%,MG2电极分别为80.6%和76.5%。通常,在外加偏压条件下可以促进光催化半导体电子-空穴的分离,提高光催化效率。然而结果显示MG2外加偏压后降解效率下降,结合阳极电位测量中显示MG2阳极表面电子积累现象较LG6电极严重,推测电子积累是导致MG2光电催化效率下降的主要原因。相比之下LG6电极在施加偏压0.5 V下降解效果优于未施加偏压,显示了相同电化学条件下LG6电子转移的优越性。

图 6 LG6和MG2电极在外加偏压下降解四环素 Fig. 6 Degradation of tetracycline with external bias voltage by LG6 and MG2 electrode
3 结论

1) 本文将rGO进行分层与全混两种复合方式在Ag-TiO2基电极中,实验表明两种复合方式均能降低Ag-TiO2材料电荷总转移电阻,从而提高光催化降解四环素效率。

2) 电化学阻抗谱和莫特-肖特基曲线测量结果表明,分层复合电极主要通过控制双层/薄膜电子转移电阻提高电子-空穴对分离的驱动力,分层复合形式对促进四环素降解中电子转移作用有明显优势;而全混复合电极由于rGO状态难以控制,需要更深入探究才能揭示其电化学性质。

3) 分层复合电极在外加偏压下降解效果与无偏压下相比有所提高,而全混复合电极降解效果没有提高,说明分层复合有效减轻了阳极电子积累。光照后分层电极电势差变化更小,更加证明了分层复合方式对减轻阳极光生电子的积累的优势,分层复合方式为电极表面电子传输优化提供了可行思路。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180302
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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文章信息

董双石, 付绍珠, 于洋, 李超群, 初义聪
Dong Shuangshi, Fu Shaozhu, Yu Yang, Li Chaoqun, Chu Yicong
还原氧化石墨烯复合方式对Ag-TiO2基光电极电子传输性能的影响
Effect of Reduced Graphene Oxide Composite Method on Electron Transport Performance of Ag-TiO2 Based Photoelectrodes
吉林大学学报(地球科学版), 2020, 50(1): 234-242
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2020, 50(1): 234-242.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180302

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收稿日期: 2019-04-25

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