一种Ag/AgBr/Ga2O3异质结构光催化材料及其制备方法

摘要

本发明属于光催化材料研发技术领域，具体涉及利用一种Ag/AgBr/Ga2O3异质结构光催化材料及其制备方法。一种Ag/AgBr/Ga2O3异质结构光催化材料，是由Ga2O3、AgNO3和NaBr制备而成，所述的Ga2O3、AgNO3和NaBr的摩尔比为n(Ga2O3)：n(AgNO3)：n(NaBr)＝1：2：2。本发明的Ag/AgBr/Ga2O3光催化材料显著改善了光生载流子的分离，大大提高了材料的光催化性能，在254nm的紫外光照射下，以Ag/AgBr/Ga2O3为光催化剂降解甲基橙，30min降解率达89％；而以Ag/AgBr和Ga2O3为催化剂，60min降解率分别为74％和48％；本发明的Ag/AgBr/Ga2O3光催化材料的制备方法在室温常压下即可完成实施，成本低、操作简便，易于工业化生产。

说明书

技术领域

本发明属于光催化材料研发技术领域，具体涉及利用一种Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料及其制备方法。

背景技术

随着经济的发展，人们生活水平不断提高，健康意识也不断加强，最求健康的生存环境已成为人们的目标。过去，污水处理的常见方法是投加絮凝剂，但该方法存在投加量多、反应时间长、处理效果差等问题，使得清洁高效、无二次污染的光催化技术受到越来越多的关注。基于半导体的光催化技术以其可在室温下反应、能将大部分有机污染物彻底矿化为二氧化碳和水、清洁环保、效率高等特性，被认为是一种理想的环境污染治理技术，常用的光催化剂是TiO₂。氧化镓(Ga₂O₃)是一种新型的宽禁带半导体光催化剂(Eg＝4.8eV)，其导带电位比TiO₂导带电位低，而其价带电位比TiO₂价带电位高，因此，理论上Ga₂O₃的还原和氧化性能均优于TiO₂，在光催化技术中更适于难降解有机污染物的处理。然而，宽带隙和较高的光生载流子复合率限制了Ga₂O₃的光催化活性。为解决这些问题，可通过与窄带隙的半岛体复合，有助于Ga₂O₃光生电子向窄带隙半导体的导带转移，避免了电子-空穴对的复合，从而改善光量子效率，提高Ga₂O₃的光催化活性。

近年来，溴化银(AgBr)作为一种新兴的光催化材料受到人们的广泛关注，其禁带宽度为2.7eV，能够被可见光激发出电子-空穴对，是宽带隙材料的有利复合型催化剂。AgBr的光敏性能使其稳定性能较差，在光照下其表面的Ag⁺会被光生电子还原为Ag单质，形成Ag/AgBr，从而改善其稳定性能。由于Ag的费米能级低于AgBr的导带电位，因此AgBr表面的光生电子能转移到Ag单质的表面，从而提高AgBr光生电子和空穴的分离效率。

发明内容

为了克服现有技术中氧化镓载流子复合率高的问题，本发明提供一种成本低廉的高效Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料及其制备方法。本发明的Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料可显著改善氧化镓载流子的分离，提高材料的光催化性能；其制备过程简单，操作容易，适合工业化生产。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料，是由Ga₂O₃、AgNO₃和NaBr制备而成，所述的Ga₂O₃、AgNO₃和NaBr的摩尔比为n(Ga₂O₃)：n(AgNO₃)：n(NaBr)＝1：2：2。

本发明还提供了所述的Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Ga₂O₃粉末加入到50mL的银源前驱物中，超声，使Ga₂O₃粉末均匀分散在银源前驱物中，待超声完毕后，再磁力搅拌10-30min，得到混合溶液；

(2)称取NaBr，将其溶解于50mL去离子水中，得到NaBr溶液；边搅拌边将NaBr溶液滴加到步骤(1)中所得的混合溶液中，滴加完毕后，磁力搅拌，即可得到AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化剂；

(3)将AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化剂溶解到50mL去离子水中，通入N₂曝气20-30min以去除水中溶解氧，气流量为40mL/min，用紫外灯对其进行光还原处理，使其界面原位形成Ag纳米粒子，即得到Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料。

作为优选，步骤(1)中所述的银源前驱物为AgNO₃溶液，其浓度为0.1mol/L。

作为优选，步骤(1)中Ga₂O₃的量按比例n(Ga₂O₃):n(AgBr)＝1:2计算。

作为优选，步骤(1)中超声的时间为20-30min。

作为优选，步骤(2)中NaBr的量为n(NaBr):n(AgNO₃)＝1:1。

作为优选，步骤(2)中磁力搅拌的时间为1-2h。

作为优选，步骤(2)中的操作需在避光下进行。

作为优选，步骤(3)中所述的紫外灯的波长254nm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料显著改善了光生载流子的分离，大大提高了材料的光催化性能，在254nm的紫外光照射下，以Ag/AgBr/Ga₂O₃为光催化剂降解甲基橙，30min降解率达89％；而以Ag/AgBr和Ga₂O₃为催化剂，60min降解率分别为74％和48％。

2.本发明的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料的制备方法在室温常压下即可完成实施，成本低、操作简便，易于工业化生产。

附图说明

图1是本发明的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料产品的场发射扫描电子显微镜图；

图2是本发明的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料产品的X-射线衍射图；

图3是本发明的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料产品的紫外-可见漫反射图；

图4是本发明的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料产品的光催化降解甲基橙的光催化活性图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和本质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

实施例1：

一种Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料，是由Ga₂O₃、AgNO₃和NaBr制备而成，所述的Ga₂O₃、AgNO₃和NaBr的摩尔比为n(Ga₂O₃)：n(AgNO₃)：n(NaBr)＝1：2：2。

所述的Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Ga₂O₃粉末加入到50mL的银源前驱物中，超声，使Ga₂O₃粉末均匀分散在银源前驱物中，待超声完毕后，再磁力搅拌10min，得到混合溶液；所述的银源前驱物为AgNO₃溶液，其浓度为0.1mol/L；Ga₂O₃的量按比例n(Ga₂O₃):n(AgBr)＝1:2计算；超声的时间为20min；

(2)称取NaBr，将其溶解于50mL去离子水中，得到NaBr溶液；边搅拌边将NaBr溶液滴加到步骤(1)中所得的混合溶液中，滴加完毕后，磁力搅拌，即可得到AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化剂；NaBr的量为n(NaBr):n(AgNO₃)＝1:1；磁力搅拌的时间为1h；该步骤中的操作需在避光下进行；

(3)将AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化剂溶解到50mL去离子水中，通入N₂曝气20min以去除水中溶解氧，气流量为40mL/min，用紫外灯对其进行光还原处理，使其界面原位形成Ag纳米粒子，即得到Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料；所述的紫外灯的波长254nm。

实施例2：

一种Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料，是由Ga₂O₃、AgNO₃和NaBr制备而成，所述的Ga₂O₃、AgNO₃和NaBr的摩尔比为n(Ga₂O₃)：n(AgNO₃)：n(NaBr)＝1：2：2。

所述的Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Ga₂O₃粉末加入到50mL的银源前驱物中，超声，使Ga₂O₃粉末均匀分散在银源前驱物中，待超声完毕后，再磁力搅拌30min，得到混合溶液；所述的银源前驱物为AgNO₃溶液，其浓度为0.1mol/L；Ga₂O₃的量按比例n(Ga₂O₃):n(AgBr)＝1:2计算；超声的时间为30min；

(2)称取NaBr，将其溶解于50mL去离子水中，得到NaBr溶液；边搅拌边将NaBr溶液滴加到步骤(1)中所得的混合溶液中，滴加完毕后，磁力搅拌，即可得到AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化剂；NaBr的量为n(NaBr):n(AgNO₃)＝1:1；磁力搅拌的时间为2h；该步骤中的操作需在避光下进行；

(3)将AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化剂溶解到50mL去离子水中，通入N₂曝气30min以去除水中溶解氧，气流量为40mL/min，用紫外灯对其进行光还原处理，使其界面原位形成Ag纳米粒子，即得到Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料；所述的紫外灯的波长254nm。

实施例3：

一种Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料，是由Ga₂O₃、AgNO₃和NaBr制备而成，所述的Ga₂O₃、AgNO₃和NaBr的摩尔比为n(Ga₂O₃)：n(AgNO₃)：n(NaBr)＝1：2：2。

所述的Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Ga₂O₃粉末加入到50mL的银源前驱物中，超声，使Ga₂O₃粉末均匀分散在银源前驱物中，待超声完毕后，再磁力搅拌20min，得到混合溶液；所述的银源前驱物为AgNO₃溶液，其浓度为0.1mol/L；Ga₂O₃的量按比例n(Ga₂O₃):n(AgBr)＝1:2计算；超声的时间为25min；

(2)称取NaBr，将其溶解于50mL去离子水中，得到NaBr溶液；边搅拌边将NaBr溶液滴加到步骤(1)中所得的混合溶液中，滴加完毕后，磁力搅拌，即可得到AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化剂；NaBr的量为n(NaBr):n(AgNO₃)＝1:1；磁力搅拌的时间为1.5h；该步骤中的操作需在避光下进行；

(3)将AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化剂溶解到50mL去离子水中，通入N₂曝气25min以去除水中溶解氧，气流量为40mL/min，用紫外灯对其进行光还原处理，使其界面原位形成Ag纳米粒子，即得到Ag/AgBr/Ga₂O₃异质结构光催化材料；所述的紫外灯的波长254nm。

使用上述实施例1-3得到的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料在254nm的紫外光照射下，以Ag/AgBr/Ga₂O₃为光催化剂降解甲基橙，对其降解能力进行分析，结果表1所示。

表1本发明的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料的性能分析

处理30min甲基橙降解率(％)60min甲基橙降解率(％)实施例18995实施例29094实施例39196对照16574对照23248

注：对照1采用的光催化剂为Ag-AgBr；对照2采用的光催化剂为Ga₂O₃。

由表1、图4可知，本发明实施例1-3中所述的Ag/AgBr/Ga₂O₃为光催化剂降解甲基橙，30min降解率达89％以上，60min降解率达94％以上；而对照1中30min降解率达65％，60min降解率达74％；对照2中30min降解率达32％以上，60min降解率达48％。

综上所述，本发明提供的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料显著改善了光生载流子的分离，大大提高了材料的光催化性能；本发明的Ag/AgBr/Ga₂O₃光催化材料的制备方法在室温常压下即可完成实施，成本低、操作简便，易于工业化生产。