2. 东北师范大学环境学院, 长春 130117
2. School of Environment, Northeast Normal University, Changchun 130117, China
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。
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]。
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。
电极种类 | RS /Ω | Rdl/Ω | RSC/Ω |
LG0 | 2.65 | 16.66 | 110.10 |
LG2 | 2.41 | 15.64 | 55.19 |
LG4 | 5.21 | 14.56 | 49.56 |
LG6 | 4.62 | 11.10 | 59.16 |
LG10 | 4.88 | 11.39 | 45.41 |
MG1 | 11.74 | 21.86 | 16.49 |
MG2 | 12.91 | 25.52 | 21.59 |
MG4 | 15.02 | 26.35 | 23.32 |
MG8 | 16.20 | 27.26 | 24.71 |
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。
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]:
式中:CSC为半导体电容,μF/cm2;ε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-3;φfb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。
ND和φfb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。
电极种类 | ND /(1023 cm-3) | φfb /V |
LG0 | 6.512 | -0.815 |
LG2 | 4.738 | -0.959 |
LG4 | 7.611 | -0.751 |
LG6 | 8.521 | -1.061 |
LG10 | 9.882 | -0.676 |
MG1 | 4.716 | -0.822 |
MG2 | 5.644 | -0.681 |
MG4 | 7.323 | -0.805 |
MG8 | 6.010 | -0.659 |
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。
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Rdl、φfb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ND 和φfb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。
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。
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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