金银合金纳米颗粒的可控合成及其光催化性能
孙 丽*,王 法,吕鹏程,李浩男,苏文献,章立新 (上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093)
【摘 要】摘要：以果糖为还原剂和表面活性剂,可控合成了平均粒径小于14.6nm的金银(Au-Ag)合金纳米颗粒.基于一步法,改变合成时间(1～8min),Au-Ag合金纳米颗粒的成分及其表面等离子共振(SPR)波长被连续调控.采用UV-Vis、EDX、ICP、XPS、TEM、HR-TEM和SAED等分析手段对Au-Ag合金纳米颗粒进行表征,发现制备的合金纳米颗粒具有均匀的成分和合金结构.由于Au、Ag两元素的协同作用,Au-Ag合金纳米颗粒在4-硝基苯酚的光催化降解反应中表现出了优异的光催化活性和稳定性.除了改变 Au-Ag合金纳米颗粒的添加量,光催化反应的动力学速率常数还可通过改变合金成分来线性调节.基于可控合成,动力学速率常数甚至可通过Au-Ag合金纳米颗粒的合成时间来线性调控.上述控制动力学速率常数的方法可为其他的光催化反应提供参考. 【期刊名称】中国环境科学 【年(卷),期】2024(038)007 【总页数】7
【关键词】果糖；Au-Ag合金纳米颗粒；4-硝基苯酚；光催化剂；太阳光 基金项目：国家自然科学基金资助项目(11404210) * 责任作者, 讲师, marybrother@yeah.net
随着工业的发展,污水问题日益严重.对污水的处理,尤其是对污水中有机污染物的去除引起了广泛关注[1].4-硝基苯酚(4-NP)是一种常见的有机污染物,在生态系统中稳定存在[2].据报道,我国五大流域的24个典型饮用水源地 4-NP残留量
的平均值为27.4ng/L[3].虽然该值尚在安全范围内,但4-NP具有蓄积性,易对环境产生累计污染,因而对水生生物和人体健康存在潜在威胁[4-5].
目前,去除 4-NP的最有效手段是以硼氢化钠为还原剂的光催化降解反应.将有毒的 4-NP降解成无毒的工业原料4-氨基苯酚(4-AP),其降解效率取决于光催化剂的催化性能[6].在 4-NP光催化降解反应中,使用较多的光催化剂为半导体型光催化剂[7-8].该类催化剂只能利用太阳光中的紫外光[9-10].与半导体光催化剂相比,贵金属光催化剂是近几年发展起来的一种新型催化剂,可充分利用各个波段的太阳光子,具有较高的光催化效率[11].贵金属光催化剂中主要采用了金、银及其合金纳米颗粒[11-14].与单金属相比,Au-Ag合金纳米颗粒具有成本低、效率高和稳定性好等优点[12,15].Au-Ag合金纳米颗粒的光催化活性取决于它的合成方法.其主要合成方法包括物理法和化学法[16-18].物理法的成本较高,且很难得到粒径分布较窄的Au-Ag合金纳米颗粒.化学法通常以化学试剂(硫醇类、硼氢化钠、肼等)作为还原剂和分散剂[17-18].这些化学试剂附着在Au-Ag合金纳米颗粒的表面很难去除,给其进一步的应用带来了潜在的风险.因而,绿色合成法逐渐成为研究热点.该法安全、无污染,一般采用具有还原性的糖类、维生素及蛋白质来还原贵金属离子,进而合成 Au-Ag合金纳米颗粒[19-23].然而,在绿色合成 Au-Ag合金纳米颗粒的过程中,多采用点对点的合成路线,即获得的Au-Ag合金纳米颗粒的成分中金、银元素的比例约等于前驱体中金、银离子的比例,不可改变[19].目前,虽已明确Au-Ag合金纳米颗粒的成分对光催化反应的速率有明显的影响,但尚未建立两者之间的确切关系[12].
因此,本文尝试了以果糖作为还原剂和表面活性剂,绿色合成 Au-Ag合金纳米颗粒.详细考察了合成参数(合成时间和前驱体中金、银离子的物质的量比)对制备
出的Au-Ag合金纳米颗粒SPR波长、成分以及形貌的影响.利用 UV-Vis、EDX、ICP、XPS、TEM、HR-TEM和SAED等表征手段,对Au-Ag合金纳米颗粒的光学性能、成分、形貌和微观结构等进行分析.在4-NP的光催化降解反应中,充分考察了Au-Ag合金纳米颗粒的成分及添加量对光催化活性的影响,并测试了合金纳米颗粒的光催化稳定性.
1 实验部分
1.1 实验试剂
试剂:果糖(C6H12O6,AR)、硝酸银(AgNO3,GR)、氯金酸(HAuCl4·3H2O,AR)、氢氧化钠(NaOH,AR)、硼氢化钠(NaBH4,AR)、4-NP(C6H5NO3,AR)、乙醇(C2H5OH,AR),均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司.实验所用的去离子水由美国艾科浦国际有限公司的ADW-0501-M理化实验超纯水机制取. 1.2 表征
采用日本岛津公司 UV-2600型紫外-可见(UV-Vis)分光光度计检测Au-Ag合金纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱,并监测 4-NP的光催化降解反应;采用德国布鲁克 AXS有限公司 QUANTAX400-30型能谱仪(EDX)对 Au-Ag合金纳米颗粒的组成元素进行分析;采用美国 Perkms-Elmer公司Optima2000DV型电感耦合等离子体光谱仪(ICP)测试样品中金和银元素的含量;采用日本岛津公司AMICUS型X射线光电子能谱(XPS)分析Au-Ag合金纳米颗粒的表面成分;采用日本电子株式会社JEM-2100F型透射电子显微镜(TEM)系统观察Au-Ag合金纳米颗粒的形貌及微观结构. 1.3 Au-Ag合金纳米颗粒的制备方法
将 5g果糖、25mL去离子水和 50μL浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液依次加入
金银合金纳米颗粒的可控合成及其光催化性能
