王磊 卞欣瑤 周紫荷 楊雅茹 于志強 耿濤
摘 要:以無水硫酸銅、葡萄糖、十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)為原料,在堿性環(huán)境中,利用溶劑熱法制備Cu2O微納米材料。所得樣品通過X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)等儀器對其結構和形貌的表征進行分析。探究在紫外可見光光照條件下,以4-硝基苯酚作為模擬污染物,用氧化亞銅微納米材料作為催化劑,硼氫化鈉為還原劑,對其進行催化降解性能實驗。結果分析表明,實驗進行5min后,氧化亞銅微納米材料對硼氫化鈉還原4-硝基苯酚的降解率可達92.31%。
關鍵詞:氧化亞銅;溶劑熱法;4-硝基苯酚;催化
中圖分類號:O643.3? 文獻標識碼:A? 文章編號:1673-260X(2021)08-0004-03
隨著科技工業(yè)化的快速發(fā)展,當今社會存在較為嚴重的環(huán)境問題。如何解決這一問題,成為當下研究的熱點之一[1-3]。納米材料因其具有特別的表面與界面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應[4,5],使其在光電、電子器件、冶金、生物醫(yī)學及國防等方面有重要的作用[6-8]。無機微納米材料憑借其獨特的半導體催化技術對許多有機物有明顯的降解效果,成為學者和專家們的研究熱點。
氧化亞銅是非常典型的空穴型半導體,憑借其具有的特別的光學和磁學特性,使其在涂料、船底防污漆、太陽能轉換、農業(yè)殺菌劑及有機工業(yè)催化劑等方面有重要應用[9]。氧化亞銅能量差為2.11 eV,禁帶相較氧化鋅等納米材料較窄,在可見光的照射下吸收563nm波長就能被激發(fā)。所以在太陽光照下就能進行光催化反應,是具有良好效能的催化劑[10,11]。
本文通過水熱反應合成Cu2O微納米材料,并以此材料為催化劑,在紫外光照射下,利用硼氫化鈉還原劑,對4-硝基苯酚進行光催化降解進行初步探究。
1 實驗方法
1.1 Cu2O微納米材料的合成
首先稱取0.320g CuSO4、0.720g葡萄糖分別加入11mL去離子水,進行磁力攪拌10min;然后將配制好的葡萄糖水溶液滴入CuSO4的水溶液中,攪拌混勻。稱取0.300g十六烷基三甲基溴化銨,加入10mL乙醇溶解,然后滴入上述混合水溶液中,持續(xù)攪拌10min。量取8mL的1.0mol/L NaOH水溶液,在磁力攪拌下,滴入之前混合溶液中。然后把混合溶液轉移至50mL的聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中,放入烘箱中,在120℃下反應8h,然后自然冷卻至室溫。離心后,樣品用去離子水和無水乙醇各洗滌三次、離心,最后樣品置于真空干燥箱中60℃干燥12h,得到所需Cu2O樣品。
1.2 Cu2O微納米材料的表征
采用X-射線衍射儀(XRD,遼寧丹東方圓儀器有限公司DX-2600型)測定樣品的晶體結構,Cu靶K射線(=0.154060nm),掃描范圍10°~80°,掃描速度0.1°/s。采用掃描電子顯微鏡(SEM,日本日立S-4800型)觀察所得樣品的形貌。采用紫外-可見光譜儀(UV-Vis,日本日立U-3310型)測定樣品催化對4-硝基苯酚溶液的紫外可見光譜。
1.3 光催化性能測試
稱取15mg Cu2O微納米材料于超聲波清洗器中分散到100mL水中。配制濃度為10mg·L-1的4-硝基苯酚水溶液,配制濃度為7.6g·L-1硼氫化鈉水溶解。然后,分別領取1mL上述三份溶液于比色皿中,利用紫外可見光譜儀每隔1min檢測一次。重復上述的實驗步驟,以蒸餾水代替產品溶液,保持其余的試劑用量不變,進行對照實驗。
2 結果與討論
2.1 表征分析
如圖1所示,在不同反應溫度條件下得到Cu2O樣品的XRD圖譜,從圖(a)、(b)、(c)曲線可以看出,在2θ為29.5°、36.4°、42.3°、61.4°、73.5°和77.4°位置上出現(xiàn)了六個主要特征X-射線衍射峰,分別對應(110)、(111)、(200)、(220)、(311)和(222)六個晶面衍射峰,與Cu2O的X射線標準卡片(JCPDS 78-2076)相一致,說明用溶劑熱法所制得的樣品為氧化亞銅微納米材料,為立體晶型。此外,樣品中不含有Cu及CuO等雜質峰,說明樣品中沒有雜質混入,有比較高的純度。
2.2 形貌分析
如圖2所示,a、b、c圖分別是在不同反應溫度條件下得到Cu2O樣品的SEM圖,可以看出樣品呈花球狀結構,不同水熱反應溫度下得到樣品的形貌不完全相同,其中從b圖中可以看出,在120℃時,在放大30000倍的掃描電鏡下,實驗所制得Cu2O樣品整體分布均勻,比較聚集,且樣品形貌較為均一,樣品表面光滑平整,產品分散性也比較好,花瓣厚度大致約為30nm。
2.3 催化性能研究
圖3為反應溫度120℃、反應時間為8h獲得Cu2O樣品作為催化劑,以硼氫化鈉作為還原劑,催化還原4-硝基苯酚的紫外可見光譜圖。從圖中可以看出,隨著時間的增加,4-硝基苯酚的最大紫外可見吸收峰逐漸減弱,5min后,4-硝基苯酚溶液的主要吸收峰幾乎消失,而且溶液由黃色變?yōu)闊o色。
如圖4所示,a圖是以所制備的樣品Cu2O為催化劑,硼氫化鈉為還原劑,催化還原4-硝基苯酚溶液隨時間變化的降解率圖,5min后4-硝基苯酚溶液的降解率達到了92.31%。作為對比,b圖是未加入氧化亞銅樣品,能清楚地看到在不加Cu2O的實驗條件下降解率僅為15.00%。由此看出,氧化亞銅微納米材料作為催化劑對4-硝基苯酚有很好的催化降解效果。
3 結論
利用溶劑熱法合成花球形氧化亞銅微納米材料,在反應溫度120℃、反應時間為8h時獲得產品尺寸均勻、結晶度好的花球形Cu2O微納米材料。實驗方法操作簡單,具有原料易得、反應條件單一、產品純度高、形貌可控等優(yōu)點。以花球形Cu2O微納米材料作為催化劑,通過紫外可見光譜儀對硼氫化鈉還原有機試劑4-硝基苯酚溶液進行催化降解實驗,結果顯示,在5min后,對4-硝基苯酚溶液的降解率為92.31%。
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