摘要
Cu2O是一种p型的窄禁带宽度的半导体材料，其禁带宽度为2.2eV左右。由于其可吸收位于可见光区的能量，具有良好的吸收率，而被广泛的应用于光催化、太阳能电池、气敏元件等领域。Cu2O半导体受到光照激发时，产生的光生电子和空穴具有较高的复合率，量子效率较低，使其光催化性能受到限制。另外，相较于块状结构，纳米级Cu2O具有更好的光催化降解活性，但纳米级催化剂粒径较小，易漂浮于水面，团聚现象严重难以回收再利用。本文主要研究具有不同形貌结构Cu2O的制备，并采用自制球型TiO2和沸石对Cu2O进行负载制备TiO2/Cu2O和沸石/Cu2O复合材料。研究了制备条件对TiO2/Cu2O复合纳米材料形貌结构和光催化性能的影响，以及沸石/Cu2O复合材料催化降解MO的最佳条件。本文研究内容主要包括以下内容: 1.采用简单的溶剂热法，通过调控反应过程中还原剂或表面活性剂的种类，反应温度制备了不规则棱形、球形、去角八面体、以及束状Cu2O纳米材料。并分析了不同形貌的Cu2O纳米材料在可见光及无光条件下对甲基橙溶液的催化降解效果。实验表明:在低温强碱条件下，分别以葡萄糖和水合肼为还原剂，还原Cu(NO3)2·3H2O，成功制备了具有去角八面体和不规则棱形结构的Cu2O纳米材料，可见光下照射60min后对MO的光催化降解效率分别为56.95％和5.5％。在高温条件下，以EG为还原剂、溶剂，分别以葡萄糖和水合肼为表面活性剂，制备了尺寸大小不一的球形Cu2O和呈线形束状结构的Cu2O，可见光下照射60min后对MO的光催化降解效率分别为89.5％和99.7％。在无光条件下，低温和高温条件下制备的四种具有不同形貌结构的Cu2O纳米材料均具有良好的催化降解性能，样品S1、S2、S3和S4的催化降解效率分别为75.75％、67.18％、95.32％和98.45％。 2.采用两步法制备了锐钛矿TiO2纳米球，并与P25型TiO2对比进行紫外光照射下的甲基橙溶液降解性能测试。通过简单的水热法，制备了TiO2/Cu2O纳米复合材料及P25/Cu2O纳米复合材料，对比分析了TiO2/Cu2O及P25/Cu2O摩尔比对其形貌及催化降解性能的影响。实验结果表明:常温下制备出了球形钛乙醇前驱体，并在一定温度下采用水热法制备了纳米级别的球形TiO2。紫外灯辐照下60min，球形TiO2和P25的光催化降解效率分别为99.46％和94.72％，球形TiO2比P25型TiO2具有更高的光催化降解效率。采用化学还原法，以CuSO4.5H2O为铜源，分别以P25和球形TiO2为原料制备了P25/Cu2O纳米复合材料和TiO2/Cu2O纳米复合材料。通过改变P25与Cu2O的摩尔比，Cu2O逐渐在P25型TiO2表面成核生长，形成小颗粒负载在P25型TiO2的表面，形成纳米复合材料，且当摩尔比为1.0时，复合材料的光催化效率达到最大，之后摩尔比继续增大，则光催化降解效率降低。可见光下摩尔比为1.0时制备的样品在100min内光催化降解MO效率最高，达到92.99％。无光下摩尔比为1.0时制备的P25/Cu2O纳米复合材料在28h内催化降解MO效率最高，达到87.98％。通过改变球型TiO2与Cu2O的摩尔比，Cu2O逐渐在TiO2表面成核生长，形成小颗粒负载在球型TiO2的表面，形成纳米复合材料，且摩尔比为1.0时，复合材料的光催化效率达到最大，达到94.3％。无光下摩尔比为1.0时制备的样品在28h内催化降解MO效率最高，达到89.79％。与P25/Cu2O纳米复合材料相比，TiO2/Cu2O纳米复合材料具有更高的催化降解效率和更好的循环重复使用性能。 3.选取甲基橙作为有机污染物降解目标，通过系统分析在不同甲基橙溶液初始浓度和不同光催化降解温度下，沸石/Cu2O纳米复合材作为光催化剂降解甲基橙的光催化降解效果，从而寻找沸石/Cu2O纳米复合材作为光催化剂降解甲基橙的最佳降解条件。实验结果表明:以MO溶液为降解目标污染物，分别对纯Cu2O、预处理后沸石以及沸石/Cu2O纳米复合材料进行光催化降解实验测试。预处理后沸石对MO无光催化降解活性;具有去角八面体结构的纯Cu2O对MO具有光催化降解活性，可见光辐照60min后其光催化降解效率达到56.95％。可见光下，沸石/Cu2O纳米复合材料对MO的降解效果最佳，60min其光催化降解效率达到89.55％。沸石/Cu2O纳米复合材料的光催化降解性能随MO溶液初始浓度的增大呈现先增大后减小的趋势。当MO溶液初始浓度为10mg/L时，复合催化剂的降解效率最高，光催化降解效率为89.55％。另外，沸石/Cu2O纳米复合材料的光催化降解性能在反应初期，随反应温度升高而增大，在反应后期，随温度的升高呈现先增大后减小的趋势。当反应温度为20℃时，复合催化剂的降解效率最高，光催化降解效率为89.55％。对沸石/Cu2O纳米复合材料进行光催化降解MO的循环使用性能测试时发现，沸石/Cu2O纳米复合材料经多次重复循环使用后仍具有良好的光催化降解效果。 本文所采用的制备方法，简单易行，易于控制，可一次制备具有不同形貌结构的Cu2O纳米材料及其复合材料，大大降低了生产成本。所制备的复合材料在有光辐照及无光辐照条件下均对甲基橙具有较好的催化降解性能，极具潜在应用价值。
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