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第 1 期 刘天晴，等: 聚苯胺改性活性炭粒子电极的光电催化性能
面，研究其电催化降解废水的性能，而对于其光催
化性能研究较少。目前，对于粒子电极的报道多集
中于通过改性提高其在电催化降解废水方面的效
率，本文将聚苯胺（PANI）有机半导体与 AC 复合，
研究其在三维电极中的光电催化作用。
锐钛矿型 TiO 2 作为光催化剂具备氧化能力强 、
化学稳定性高、无光腐蚀和无毒的优点
在电子-空穴复合率高、光催化降解效率低等不足。
TiO 2 禁带宽度较宽，只对紫外区域光具有良好的吸
收作用 [11] ，因此为了提高其在可见光区域的吸收，
通常采用掺杂改性 [12-13] 、金属表面沉积
聚合物改性 [16] 等方法对 TiO 2 进行改性。利用 PANI
对 TiO 2 进行修饰，可使吸收波长范围进一步向长波
长方向扩展，提高对太阳光的利用率 [17] 。光电协同
催化方法是在光催化的基础上施加偏电压，促进光
生电子和空穴的分离与迁移，有助于降低催化剂表
面电子-空穴的复合率 [18] ，提高光催化效率。
本文通过原位聚合法将 PANI 复合在 AC 上，制
备 PANI 改性 AC 粒子电极 PANI/AC，建立了三维
电极光电协同催化体系，在模拟太阳光和外加电压
的条件下考察了其对水中染料 GB 的降解率，并考
察了粒子电极用量、溶液 pH、电流密度、GB 初始
质量浓度等对 GB 降解率的影响，推测了降解机理。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
AC，AR，天津市塘沽邓中化工厂；浓硫酸（质
量分数为 98%）、盐酸（质量分数为 36%），西安化
学试剂厂；苯胺、海藻酸钠（SA），AR，天津市天
力化学试剂有限公司；过硫酸铵，AR，天津市科密
欧化学试剂有限公司；聚乙烯醇（PVA）、无水乙醇、
硼酸、乙二胺，AR，天津市致远化学试剂有限公司。
FTIR-4100 型红外光谱仪，日本分光株式会社；
DX-2700 型 X 射线衍射仪（XRD），丹东方圆仪器
有限公司；Apreo+HiVac 场发射扫描电子显微镜，
美国 FEI 公司；JEM-2100 型透射电子显微镜，日本
电子公司；UV-9600 紫外-可见分光光度计，北京瑞
利分析仪器公司；CEL-S500 模拟日光氙灯光源系
统，北京中教金源科技有限公司；DZW-ⅡA 型稳压
电源，南京大展科教仪器研究所。
1.2 PANI/AC 粒子电极的制备
AC 预处理：取一定量 AC 粉末用去离子水多次
洗涤至中性，之后超声分散 30 min，90 ℃下烘干至
恒重，放入干燥器中，备用。
采用原位聚合法制备 PANI 改性 AC
水浴下，将 50 mL 的 2 mol/L 盐酸溶液加入 250 mL
三颈烧瓶中，加入 4.9 mL 苯胺，再加入 5.0 g AC 粉
·143·
末，磁力搅拌，超声波振荡，使其混合均匀，然后
匀速滴加 2 mol/L 过硫酸铵溶液 25 mL，大约 20 min
滴加完成，恒温聚合 3 h，反应后分别用稀盐酸、无
水乙醇和去离子水洗涤至滤液无色，60 ℃真空干燥
6 h，得到 7.33 g 黑色粉末状 PANI 改性 AC。
[9]
改性 AC 造粒 [21] ：称取 2.0 g PVA，50 ℃恒温
[10] ，但是存 水浴中溶胀 30 min，之后升温至 95 ℃，搅拌至 PVA
完全溶解，待冷却至室温后加入 1.0 g SA，50 ℃恒
温水浴中搅拌至澄清透明，冷却至室温后形成
PVA/SA 混合溶液，备用。取 5.0 g PANI 改性 AC 放
[14-15] 和导电 入小烧杯中，加入约 12 g 去离子水搅拌至糊状，再
加入 2 g 左右 PVA/SA 混合溶液继续搅拌均匀（PAV
为粘合剂，SA 为稳定剂），之后用注射器将其滴入
含有质量分数为 2%的氯化钙饱和硼酸溶液中交联
固化成球状。6 h 后，将 AC 球放入乙二胺体积分数
为 5%的乙二胺水溶液中硬化 2 h，提高其机械强度，
取出后 60 ℃干燥 4 h，得到 PANI 改性 AC 粒子电极
PANI/AC。
1.3 光电催化降解反应
光电催化降解实验在自制实验装置（图 1）上
进行。采用 500 W 氙灯模拟太阳光，光源距反应器
的距离为 10 cm，石英反应器的尺寸为 10 cm × 5 cm
[22]
× 10 cm，阳极采用 PANI 修饰 TiO 2 复合电极 （5
cm× 2 cm×0.02 cm），阴极采用石墨棒电极（直径 Φ=
0.7 cm），其间距为 5 cm，加入一定量粒子电极，调
节电源电压为 5.0 V。将整个反应器置于恒温磁力搅
拌器上，实验开始后，打开光源、电源并计时。
图 1 三维电极光电催化降解装置示意图
Fig. 1 Photoelectrocatalytic degradation device schematic
of three-dimensional electrode
采用紫外-可见分光光度法测定溶液吸光度，在
直接耐晒翠蓝 GB 的最大吸收波长 608 nm 处测定溶
液吸光度，染料降解率由公式（1）计算。染料降解
[19-20] ：在冰 后主要产物为 CO 2 、H 2 O 以及其他小分子 [23] ，在直
接耐晒翠蓝 GB 的最大吸收波长 608 nm 处并无特征
吸收，因此对降解率计算并无影响。