【概述】[1]
為了更大限度地利用太陽光,人們期待能開發出更高效的可見光響應型光催化劑。針對這一問題,日本物質與材料研究機構光觸媒材料中心的葉金花教授著眼于無人問津的磷酸銀(Ag3PO4),根據考察其在可見光照射下水分解性能和涂料分解性能等實驗結果,查明了磷酸銀在可見光下的光氧化性能是目前所知光催化劑的數十倍。相關的結果以題為“在可見光激發下具有光氧化性能的磷酸鹽半導體”的文章發表在《自然》雜志材料版,首次報道了這種新型的光催化劑。該研究中心發現Ag3PO4可以吸收波長小于520nm的太陽光,在可見光下的量子產率高達90%,并且在可見光照射下表現出了強大的氧化能力。
磷酸銀光催化劑的應用遠不僅僅限于降解和去除有害物質,其在更廣范圍的領域的應用也是可能的,包括應用到光電系統的薄膜電極材料。雖然磷酸銀無法將水還原成氫,但是,通過與恰當的還原材料組合,或許可以實現分解水制氫。
【理化性質】[2]
英文名稱:SILVERPHOSPHATE;CAS號:7784-09-0;分子式:Ag3O4P;分子量:418.57600精確質量:415.66900;PSA:96.06000;LogP:0.38600;密度:相對密度6.37(25℃)熔點:849℃;性狀:黃色立方晶體?;瘜W性質:溶于酸、氰化鉀溶液和氨水,微溶于水和稀醋酸。溶解情況:溶于酸、氰化鉀溶液和氨水,微溶于水。
【用途】
用作照相乳液劑、催化劑、制藥和玻璃業。用于制溴化銀、碘化銀乳劑代替硝酸銀制乳劑。用于代替硝酸銀制乳劑。制備或來源:可由硝酸銀與磷酸鈉作用而制得。備注:加熱或暴露于日光下,變為棕色。
類別:無機鹽;生產方法:向硝酸銀溶液中滴加十二水磷酸氫二鈉水溶液,得到磷酸銀沉淀,過濾,將其溶解于濃氨水中,在60℃熱浴上緩慢揮發得到磷酸銀晶體。
【制備方法】[1][3]
文獻上關于Ag3PO4的合成的方式幾乎都是通過AgNO3與Na3PO4的固相反應來實現。一般來說固相反應獲得的產物粒子半徑分散度大,且無規則形貌。與傳統的固相反應法相比,液相沉淀法操作簡便、具有可控性,同時可以避免引入對材料不利的有害雜質,生成的產物具有更高的化學均勻性、粒度較細、顆粒尺寸分布較窄且具有一定形貌。
AgNO3與Na3PO4的反應屬于離子交換型沉淀反應,反應速度快,因此,控制好反應速率是控制顆粒尺寸的關鍵因素。
1.銀氨輔助法制備磷酸銀立方晶體
實驗中用到的化學試劑有:硝酸銀(AgNO3),磷酸鈉(Na3PO4·10H2O),氨水(NH3·H2O,10%),去離子水(H2O),乙醇(CH3CH2OH),乙二醇((HOCH2)2)。
首先配置銀氨溶液,將3mmol硝酸銀溶解到90ml去離子水中,然后以一滴每秒的速度往上述溶液中逐滴添加稀氨水,邊滴加邊攪拌,待最開始生成的棕色沉淀完全溶解的時候,停止添加氨水。然后往上述溶液中逐滴添加事先配備好的Na3PO4(1mmol)溶液,在劇烈攪拌下反應5min。離心分離出樣品,再用去離子水和無水乙醇清洗3次。以上所有過程都是在常溫下進行的。最后將樣品放入真空干燥箱(80°C)中干燥,干燥10個小時后取出樣品。
圖磷酸銀立方晶體制備圖解
反應過程可以由以下兩個反應式表示:
2.離子交換法
本實驗樣品的制備是通過簡單的離子交換法來實現的,將適量的Na2HPO4和AgNO3固體粉末相混合,在瑪瑙研缽中研磨使其發生反應,直至顏色變成黃色。反應化學方程式為:
將混合物用蒸餾水沖洗并烘干,得到純黃色固體粉末,獲得的Ag3PO4分散在亞甲基藍溶液中,用450W的氣燈光照適當時間進行光誘導還原,Ag3PO4中的銀離子被還原為銀:
生成的Ag單質沉積在表面,形成Ag/Ag3PO4光催化劑。
3.油酸輔助法制備磷酸銀
實驗中用到的化學試劑:硝酸銀(AgNO3),磷酸鈉(Na3PO4·10H2O),油酸鈉(C18H33NaO2),去離子水(H2O),乙二醇((HOCH2)2),十八烯(C18H36)。
圖油酸輔助法制備磷酸銀流程
首先將硝酸銀(3mmol),油酸鈉(3mmol)與磷酸鈉(1mmol)分別分散到一定體積的水中。然后往溶有硝酸銀水溶液中逐滴滴加油酸鈉,在劇烈攪拌的下反應一定時間,以生成銀-油酸絡合物。待反應完全,往上溶液中逐滴添加磷酸鈉,反應10分鐘后,離心分離出樣品,先后用去離子水和無水乙醇清洗3次。最后將樣品放入真空干燥箱(80°C)中干燥,干燥10個小時后取出樣品。
【應用】[3]
(1)在磷酸銀納米粒子的制備過程中引入的有機物無法被完全清除掉,從而使磷酸銀顆粒的光催化性能受到了限制。有待進一步探索更加優異的制備方法。
(2)由于磷酸銀制備所需原材料不具有價格優勢,因此,探索簡單制備方法獲得高效能的磷酸銀催化劑對于它在工業上推廣具有重要意義。
(3)光催化研究的目標之一是利用太陽光實現高效的光催化,如何進一步提高磷酸銀的光響應波長也是一個很有意義的課題。
(4)光催化劑的活性雖然很高,但其光照下不穩定的問題將是制約其應用的關鍵性問題,將繼續探索和開發新方法,進一步提高催化劑的穩定性。為新型光催化劑,其光催化活性及機理研究還不夠深入,開展這方面的研究將為其應用和開發提供理論基礎。擴寬催化劑的應用范圍,探討其在光電轉化、殺菌、有毒氣體的分解等方面的應用。
【參考文獻】
[1]黃利君.磷酸銀的制備及其光催化性能的研究[D].吉林大學,2012.
[2]化工詞典
[3]劉勇平.磷酸銀及其異質結高效可見光催化劑的制備及性能研究[D].廣西大學,2012.