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不同形貌、不同组分氧化亚铜的制备及其光催化性能研究

代佳

  Ti02和ZnO是目前使用最普遍的半导体光催化剂。然而,这两种材料由于禁带宽度宽,只能被近紫外光和紫外光激活,而紫外光和近紫外光占太阳能总量不到5%。因此,寻找能充分利用太阳能、在可见光范围内具有高活性的光催化剂成为科研工作者近年来探索的主要方向。大约43%的太阳光位于可见光区,只有能够被可见光激发的光催化剂才能充分利用太阳能。Cu20的禁带宽度为2.17eV,可被波长为400-800nm的可见光激发,在太阳光的照射下能有效地产生光生载流子,因此,它有望应用于太阳能转换和可见光催化降解污染物。但是,单相光催化剂由于电子和空穴容易再复合,量子效率非常低,极大地限制了Cu20的开发利用。为了提高Cu20的光催化降解效率,本文先后制备了Cu/Cu2O纳米复合材料和不同形貌的Cu20纳米材料。本文的研究工作主要分为以下3个方面: 1.采用一步液相溶剂热法以硝酸铜((Cu(NO3)2·3H2O)为原料,PVP为保护剂,EG为溶剂、还原剂,成功将Cu2+还原成一价Cu2O。在180℃条件下,通过改变反应时间得到不同形貌、不同组分Cu/Cu2O纳米复合材料,并结合光催化机理讨论了不同组分对复合材料光催化性能的影响。结果表明,随着反应时间的延长,Cu/Cu2O纳米复合材料中Cu的含量逐渐增多,这种组分的变化也引起了复合材料光催化性能的变化。在可见光下辐照20min后,低Cu含量样品(S2-S4:2.1-9.2%)对MO的光催化降解效率分别达到99.78%,99.77%和98.39%。在相同的条件下,与S2-S4相比,纯的Cu20和高Cu含量样品(S5,S6:68%和96%)对MO的光催化降解效率分别只达到了45.88%,73.03%和51.22%。即使在可见光下辐照50min后,降解效率也分别只有85.30%,94.67%和69.33%。此外,我们对Cu/Cu2O纳米复合材料的光催化机理也进行了探讨,并通过周期实验对样品的光稳定性也进行了检测。 2.采用一步液相溶剂热法以Cu(NO3)2·3H2O为原料,PVP为保护剂、表面活性剂,EG为溶剂、还原剂,成功将Cu2+还原成一价Cu2O。通过改变PVP和EG的浓度分析了二者对Cu20纳米材料形貌的影响,并结合光催化机理讨论了二者对Cu20光催化性能的影响。结果表明,固定EG的量,可以通过改变PVP的浓度来控制Cu20纳米材料不同晶面的生长速率,实现形貌可控。当PVP/Cu(NO3)2·3H2O的质量比例为0.022时,得到形貌为球形表面覆盖纳米刺的Cu2O纳米材料,随着PVP/Cu(NO3)2·3H2O的质量比例上升为0.067时,得到形貌为球形表面覆盖方角的Cu20材料,将PVP/Cu(NO3)2·3H2O的质量比例从0.067继续上升为0.111时,得到形貌为球形表面覆盖纳米球形小颗粒的Cu20材料。固定PVP的量,可以通过改变EG的浓度得到形貌为球形表面覆盖纳米刺和纳米球形小颗粒的Cu2O。此外,通过对反应不同时间所制备样品的形貌进行观察发现,本体系所制备的球形Cu20均为空心球,当反应时间为20min时,球形为破裂、开口的空心球,当反应时间为30min时,Cu20生长为完整的球形。不同形貌的Cu20纳米材料,比表面积越大光催化性能越好。在可见光下辐照10min后,Cu20纳米材料(S1-S5)对MO的光降解效率分别达到97.69%,10.36%,42.44%,89.93%和99.67%。通过对比可知,在相同的条件下,形貌为球形表面覆盖纳米刺的Cu20纳米材料(S1,S5)表现出了最佳的光催化活性。 3.采用一步液相溶剂热法以Cu(NO3)2·3H2O为原料,EG为溶剂、还原剂,分别添加PVP、葡萄糖和水合肼,在180℃条件下成功制得形貌为微米级球形表面覆盖花片、20-50nm小颗粒团聚成小球以及线形的Cu20纳米材料,并结合光催化机理讨论了形貌对Cu20光催化性能的影响。在可见光下辐照10min后,在添加PVP、葡萄糖和水合肼条件下制备的Cu20纳米材料对MO的光催化降解效率分别达到97.50%,61.61%和98.76%。 由于高温条件不利于大批量生产,因此,我们在以上的实验基础之上,尝试在常温、无表面添加剂、无有机溶剂的条件下合成Cu20纳米材料。由于葡萄糖和水合肼具有还原性,在30℃强碱条件下,我们利用葡萄糖和水合肼还原Cu(NO3)2·3H2O,成功制得Cu20纳米材料。在该反应体系中,葡萄糖和水合肼不仅作为还原剂,而且作为形貌控制剂,通过影响Cu20不同晶面的生长速率,合成去角八面体和八面体Cu20,并结合光催化机理讨论了形貌对Cu20光催化性能的影响。在可见光下辐照30min,去角八面体和八面体Cu20的光催化降解效率分别为22.36%和11.30%。 本文制备样品所采用的方法均能一次性合成不同形貌的Cu20纳米材料和不同组分的Cu/Cu2O复合材料,制备方法简单易行,且大大降低生产成本。所制得的材料对甲基橙具有很高的光催化降解率,有望在污水处理和空气净化方面获得应用。……   
[关键词]:Cu/Cu_2O纳米复合材料;Cu_2O纳米材料;溶剂热法;光催化降解;甲基橙
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:西南交通大学2013年