降解水中污染物的含氧空位In(OH)3/gC3N4光催化剂的研制及其性能
时间：2021-01-30 08:04:21 来源：达达文档网 本文已影响 人 
赵志伟 刘杰 范峻雨 郑怀礼
Preparation and performance of In（OH）3/gC3N4 catalyst containing oxygen vacancies for photodegradation of pollutants in water
Zhao Zhiwei1， Liu Jie2， Fan Junyu2， Zheng Huaili1
（1.College of Environment and Ecology， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China;2.Department of Military Facilities， Army Logistics University， Chongqing 401311， P. R. China）
石墨烯碳化氮（gC3N4）是一种有合适禁带宽度、易合成且化学稳定性良好的非金属光催化材料。笔者利用低温水热法将In（OH）3纳米粒子生长到gC3N4纳米片上，并在In（OH）3表面同步刻蚀出氧空位，从而制备了含氧空位的In（OH）3/gC3N4复合催化剂，并结合相关表征结果，对复合催化剂光降解水中污染物的特性进行了考察。
采用热缩聚法制备gC3N4：10 g尿素放入带盖坩埚中，以5 ℃/min升温速率加热至550 ℃后保温2 h，冷却后取出备用。复合催化剂的合成步骤如图1所示。首先，将一定重量的InCl3和0.6 g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解于100 mL去离子水中，随后将0.5 g制备好的gC3N4纳米片超声分散到其中，并用氨水将悬浊液pH值调至8.5，后加入2 mL的40%浓度乙二醛溶液。将上述悬浊液于333 K剧烈搅拌4 h后，将其离心分离，取底部固体用水和乙醇交替洗涤3次，在333 K下真空干燥即得所需产物。
通过改变制备过程中InCl3的加入量可以得到In（OH）3含量不同的催化剂，而不加入乙二醛则不会引入氧空位。共制备了4种不同In（OH）3含量的催化剂，根据In元素质量占复合催化剂总质量的百分比，将不含In、In含量1%、3%、5%的制备样品分别编号为OVIn/CN0、OVIn/CN1、OVIn/CN3以及OVIn/CN5。此外，还制备了In含量3%，但不含氧空位的样品，编号为In/CN3。
所制复合催化剂（以OVIn/CN3为例）物理化学表征结果见图2。图2（a）是透射电镜（TEM）图像，gC3N4薄片上存在In（OH）3粒子，并且由于PVP的加入，其分散情况良好。In（OH）3的存在同样可被XRD图谱（图2（b））证实。所有样品都包含了明显的gC3N4（JCPDS 871526）的{002}衍射峰，并且随着In含量增加，复合物在35.5°处开始出现一个可辨的新衍射峰，这是In（OH）3晶体（JCPDS 761464）的{013}晶面所致[1]。
复合催化剂中In（OH）3粒子表面氧原子空位的存在通过高分辨透射电镜（HRTEM）图像、材料O元素的XPS高分辨谱、以及材料ESR波谱来确认。图2（c）是OVIn/CN3的高分辨透射电镜图像，从图中可以观察到，在In（OH）3粒子规则排列的晶阵边缘出现了扭曲，即缺陷区域，该区域晶格排列的局部混乱正是由于O原子消失出现空位导致[2]。图2（d）为OVIn/CN3的O元素XPS高分辨谱拟合结果，相较于无氧空位In/CN3样本，OVIn/CN3在530.7 eV处多了一个分峰，一般认为其与材料表面出现氧空位有关[1，3]。图2（e）为OVIn/CN3与In/CN3样本以及纯gC3N4材料的ESR波谱对比，可以看出，OVIn/CN3明显比其余二者在g=2.001处多出一个信号，该信号即氧空位导致的磁场变化信号[4]。此外，ESR波谱的结果也可以说明氧空位产生于In（OH）3粒子上而非gC3N4上。
复合催化剂在可见光下光降解AO7结果如图3（a）所示。可以看出，复合材料的光催化活性相较于单独gC3N4有明显提升。其中，OVIn/CN3催化活性最高，在180 min光照后可以实现水中目标污染物90%以上去除，OVIn/CN1与OVIn/CN5仅能达到50%和70%左右，而相同条件下纯gC3N4的去除率只有不到40%。此外，OVIn/CN0与In/CN3样品的光催化活性与纯gC3N4差异不大，这说明复合材料光催化性能的提升主要来自In（OH）3表面的氧空位。
对光照下水中In（OH）3/gC3N4复合催化剂进行ESR测试发现，所得波谱图形（如图3（b））为典型强度1∶2∶2∶1的羟基自由基（·OH）磁响应峰，说明该催化剂在光照下会分解水产生·OH[5]，这可能是直接与污染物降解相关的活性氧物质，AO7的降解机理如图4所示。
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（編辑胡英奎）
收稿日期：20200526
基金项目：国家自然科学基金（51878090）
作者简介：赵志伟（1976 ），男，博士，教授，主要从事水净化理论与技术研究，Email：hit_zzw@163.com。
郑怀礼（通信作者），男，教授，博士生导师，Email：532477294@qq.com。
Received：20200526
