柔性碳纤维_铋纳米片阵列材料制备及光电催化实验设计_陈华军.pdf

第 卷第 期 年 月广 州 化 工 .柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料制备及光电催化实验设计陈华军，赵 莉，席晓晶（洛阳理工学院环境工程与化学学院，河南 洛阳）摘 要：结合前期实验成果，设计了柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料的制备和表征实验，考察了柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料对罗丹明 的电催化、光催化和光电催化性能。通过上述实验，使学生了解光电催化前沿研究成果，熟悉可回收光电催化材料的制备和表征方法，掌握科研实验的研究过程和研究方法。探索以学生为中心的工程教育理念，培养学生分析和解决复杂工程问题的能力，提高环境相关专业应用型和研究型人才培养质量。关键词：碳纤维织物；金属铋纳米片；光电催化；研究型实验中图分类号：.文献标志码：文章编号：（），（，）：，.，.，.，.：；环境化学课程形成与 世纪 年代，属于环境和化学的交叉学科，环境化学实验是环境化学课程的主要内容。目前，有关环境化学的研究日新月异，而环境化学实验内容未能跟上环境化学的研究步伐，实验内容相对落后。为了真实反映环境化学最新的研究状况，需要将环境化学的前沿研究引入到环境化学实验，使学生了解环境化学学科发展的前沿成果，探索以学生为中心的工程教育理念，培养学生分析和解决复杂工程问题的能力，提高环境相关专业应用型和研究型人才培养质量。在环境化学的前沿研究中，采用高级氧化技术处理环境中有机污染物的研究备受关注。在众多的高级氧化技术中，半导体光催化技术属于热点内容。对于水中有机污染物的半导体光催化降解，粉末半导体光催化材料在水中分散困难，并且使用完成后难以回收。为了解决上述问题，需要将纳米粉末半导体光催化材料生长在宏观材料表面。作为一种新颖的金属纳米光催化材料，纳米金属铋具有较高的光吸收能力、光生电子 空穴分离效率和比表面积，在有机污染物降解方面表现出优良的光催化性能。另外，碳纤维织物属于宏观的载体材料，并且具有优良的导电性能，可以有效促进金属铋纳米片光生电子 空穴的分离。因此，本实验设计将金属铋纳米片通过化学外延生长在碳织物表面，制备了宏观的柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料，制备的阵列材料不但易于分离和回收，而且可以作为光阳极进行光电催化反应。实验目的（）查阅资料，了解半导体光催化材料和半导体光催化氧化，熟悉水热法制备半导体光催化材料的实验过程；（）掌握半导体光催化氧化的原理和半导体光电催化氧化的原理，掌握半导体光催化氧化的原理和半导体光电催化氧化的实验方法；（）学习 射线衍射、扫描电镜、漫反射光谱等半导体光催化材料表征方法和原理。第 卷第 期陈华军，等：柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料制备及光电催化实验设计 实验原理.材料制备原理在水溶液中，（）在碳纤维织物表面形成纳米片阵列，在氩气保护下，纳米片分解为纳米片，同时又被碳纤维还原为金属铋纳米片，形成柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料，反应方程式如下：（）（）.光催化和光电催化原理铋纳米片在可见光照射下，激发产生光生电子（）和空穴（），由于碳纤维具有优良的导电性能，并且其费米能级较低，光生电子迁移至碳纤维的费米能级，光生空穴则留在金属铋纳米片表面。光生空穴可以氧化 或 生成。光生电子与水中溶解氧反应生成。在 和共同作用下，有机污染物被氧化分解为、和其它矿物质。（）（）（）（）（）在外加偏电压下，迁移至碳纤维表面的光生电子通过外电路到达阴极，光生电子在阴极与溶解氧反应生成，外加偏电压可以增强光生电子空穴的分离效果，提高对有机物的光催化氧化降解效果。柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料光催化和光电催化过程中，光生电子 空穴的迁移机制如图 所示。图 柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料光电催化系统和光生电子 空穴传输机制.实验教学方案的构建本实验采用线上线下混合教学模式，如图 所示。首先，教师通过网络课程教学平台实验内容，介绍半导体光催化的研究进展和原理、材料制备和表征方法，提出具体的实验任务和实验内容。学生通过网络课程教学平台下载上述资料，并通过资料查阅，了解金属铋光催化材料的研究进展，掌握柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料的制备方法，并通过网络课程教学平台提交初步实验方案，师生通过沟通交流确定可行的实验方案，指导学生完成实验的预习报告。实验教学过程中，教师负责辅导答疑，维护实验安全，讲解仪器设备使用方法，实验结束后，教师审核实验数据，指导学生完成实验报告。图 柔性碳纤维 铋纳米片阵列制备与表征实验线上线下混合教学模式.实验内容.材料制备以硝酸铋和碳纤维织物为原料，采用水热法制备柔性碳纤维 铋纳米片阵列。首先，向 水热反应釜加入 去离子水和.尿素，溶解完全后加入.硝酸铋，完全溶解后再加入碳纤维织物（，.）。在 下反应 ，反应结束后取出反应釜，自然冷却至室温，碳纤维织物用去离子水超声洗涤 ，在 干燥 。产物放置在管式炉中，在氩气保护下，在 焙烧 。教师引导学生改变实验条件，例如硝酸铋用量，研究实验条件对柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料形貌和光电催化性能的影响。.材料表征采用 射线衍射仪对样品进行表征（），采用场发射扫描电子显微镜（）分析材料形貌，采用紫外可见漫反射光谱（）分析材料的光吸光性能。.光电催化性能光电催化实验装置包括 光催化反应器、直流稳压电源和模拟太阳光光源（，），首先，向反应器中加入 罗丹明 溶液（），再加入.硫酸钠固体（.）作为支持电解质。柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料和碳纤维织物为阳极和阴极，二者水平放置在罗丹明 溶液中，入射光从上部照射柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料，同时在阳极和阴极之间施加适当的偏压，进行光电催化反应。按照上述实验条件，不施加偏压进行光催化反应。另外，不用入射光照射柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料，仅在阳极和阴极之间施加适当的偏压，进行电催化反应。实验过程中，采用分光光度法测定剩余罗丹明 浓度（），结合罗丹明 原始浓度值（），采用下式计算罗丹明 降解率（）。（）广 州 化 工 年 月 实验结果.分析图（）为水热产物的 图谱，由图 可见，图谱与碳酸氧铋衍射峰一致（.），说明合成产物为柔性碳纤维 碳酸氧铋纳米片阵列材料。未检出碳纤维织物的衍射峰，说明碳纤维织物表面被碳酸氧铋纳米片完全覆盖。图 柔性碳纤维 碳酸氧铋纳米片阵列 图谱（）；柔性碳纤维 铋纳米片阵列 图谱（）.（）（）图（）为氩气保护下焙烧产物的 图谱，由图 可见，图谱与金属铋衍射峰一致（）。说明合成产物为柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料。同样未检出碳纤维织物的衍射峰，说明碳纤维织物表面被金属铋纳米片完全覆盖。上述实验结果说明，水热合成产物 柔性碳纤维 碳酸氧铋纳米片阵列材料中的碳酸氧铋在焙烧过程中分解为氧化铋，同时，在高温条件下，氧化铋又被碳纤维还原为金属铋，从而制备了柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料。.分析图 为柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料的 图像，由图 可见，碳纤维表面被金属铋纳米片完全覆盖，实验结果与 分析一致。碳纤维表面金属铋为纳米片状，垂直生长在碳纤维表面。综合 和 实验结果，以硝酸铋和碳纤维织物为原料，采用联合水热和焙烧法可以在碳纤维表面生长铋纳米片阵列材料，从而制备了易于分离和回收的柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料。图 柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料的 图像.吸收光谱分析碳酸氧铋和金属铋分别为半导体光催化材料和金属等离子体光催化材料，均可以催化氧化有机污染物。光催化材料的光催化性能首先取决于光吸收能力，因为光吸收能力越强，产生的光生电子 空穴的数量就越多。图 对比了柔性碳纤维 碳酸氧铋纳米片阵列材料和柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料的 漫反射光谱，由图 可见，柔性碳纤维 碳酸氧铋纳米片阵列材料对紫外光可见光具有较强的吸收能力。而柔性碳纤维铋纳米片阵列材料对紫外光可见光近红外光均具有较强的吸收能力，属于全光谱响应金属等离子体光催化材料，对紫外光可见光近红外光的吸收能力远大于柔性碳纤维 碳酸氧铋纳米片阵列材料。因而，柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料的光催化性能大于柔性碳纤维 碳酸氧铋纳米片阵列材料。图 柔性碳纤维 碳酸氧铋纳米片阵列和柔性碳纤维 铋纳米片阵列的 漫反射光谱对比.催化性能对比图 对比了柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料的电催化、光催化和光电催化降解性能，由图 可见，柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料对罗丹明 的电催化、光催化和光电催化降解率分别为.、.和.，光电催化降解率大于电催化和光催化，尤其是大于二者之和，说明在光电催化过程中，电催化和光催化存在协同效应。实验结果说明，本实验制备的柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料不但可以解决粉末光催化材料的分离和回收难题，而且可以作为光阳极进行光电催化降解实验，并取得了优异的光电催化降解效果。第 卷第 期陈华军，等：柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料制备及光电催化实验设计 图 柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料电催化、光催化和光电催化降解罗丹明 效果对比.，.循环稳定性图 考察了柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料电催化、光催化和光电催化降解罗丹明 的循环稳定性，由图 可见，作为一种新颖的可回收催化材料，柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料在电催化、光催化和光电催化过程中均表现出优良的循环稳定性，经过 循环实验，柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料在电催化、光催化和光电催化性能无显著变化，说明本实验制备的柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料具有优良的电催化、光催化和光电催化稳定性，可以解决粉末光催化材料的分离和回收难题，有利于促进电催化、光催化和光电催化的工业化应用。图 柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料电催化、光催化和光电催化循环稳定性.，结 语本实验将光电催化的前沿研究成果引入环境化学实验课程，设计了柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料的制备和表征实验，并以罗丹明 为降解对象，考察了柔性碳纤维 铋纳米片阵列材料的电催化、光催化和光电催化性能。通过上述实验，使学生了解了光电催化前沿研究成果，熟悉了可回收光电催化材料的制备和表征方法，掌握科研实验的研究过程和研究方法。探索以学生为中心的工程教育理念，培养学生分析和解决复杂工程问题的能力，提高环境相关专业应用型和研究型人才培养质量。影响实验结果的因素很多，上述实验仅考察了部分影响因素。因此，教师可以通过线上和线下教学，引导学生思考其它相关影响因素。学生通过查阅相关资料，可以对实验内容进行拓展，在碳纤维织物表面生长其它形貌的金属铋，或者在碳纤维织物表面生长其它半导体光催化材料，培养学生的科研创新能力。参考文献 汪群慧，宋娜，陈月芳，等.本科生与研究生环境化学课程教学内容和模式的差异大学化学，（）：.王丽梅，孟昭福，张增强，等.环境化学课程教学改革与实践中国大学教学，（）：.王强.多媒体教学在环境化学课程中的改革与实践西南师范大学学报（自然科学版），（）：.马玖彤，宋乃忠，贾琼.开放实验：磁性光催化剂合成及其对丁基黄药的降解化学教育（中英文），（）：.陈华军，席晓晶，李冬.用 理念建设高校化学化工实验“金课”广州化工，（）：.谢爱娟，陶依洋，金响，等.凹凸棒土制备及应用的实验设计化学教育（中英文），（）：.白璐，管景奇.单原子铂催化剂的制备及其低温催化氧化一氧化碳化学教育（中英文），（）：.，.：，（）：.，.：，：.，.：，（）：.，.，（）：.，.，（），（）：.，.，：.，.，：.，.，（）：.，.，：.彭银，张明颖，熊言林.碳酸氧铋光催化剂的合成与光催化降解有机染料化学教育（中英文），（）：.，.：.，（）：.，.（），（）：.，.，：.