Cu6、Cu(2-x)O(x=0,1)/TiO2复合光催化材料的合成及其对2,4-二氯酚降解性能的研究

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资源,环境和人类社会的可持续发展将成为二十一世纪的重大课题。随着人口的急剧增长和社会经济的高速发展,人们对水的需求量不断增加,许多国家和地区都面临着水资源短缺的危机,与此同时,水污染日益严重。因此,研究高效环保降解有毒有害污染物,治理水体污染的技术已成为国际上广泛关注的重大课题。光催化技术以其该法以其操作简单、氧化能力强、非选择性地降解有机污染物、无二次污染及可直接利用太阳光等独特性能,成为解决这一问题的最有应用潜力的途径之一,已成为该领域的研究热点。  TiO2作为比较理想的半导体光催化材料,因其无毒、成本低、具有良好的化学稳定性和耐光腐蚀性,成为最具潜力的光催化剂。然而,由于TiO2的禁带宽度为3.2eV,只对紫外光产生响应,而太阳光中紫外光仅占2%,TiO2量子产率低,光谱响应范围窄,这严重阻碍了其实际应用。通过对TiO2进行改性,如和窄带隙半导体复合、贵金属沉积、过渡金属离子掺杂、有机染料敏化等方法,以拓宽二氧化钛的光谱响应范围,提高其对太阳光的利用率,增强光催化效率。  本论文主要通过原位水解的方法,分别将Cu、Cu2O和CuO与TiO2进行复合,得到了Cu/TiO2、Cu2O/TiO2和CuO/TiO2复合光催化材料,达到了对TiO2改性、提高其光催化活性和拓宽光谱响应范围的目的。通过SEM、TEM、XPS、XRD等多种表征手段,研究了材料的结构、形貌及其光吸收特性,并且研究了三种材料对2,4-二氯酚的光催化降解行为,探讨了光催化机理。具体内容如下:  1、采用L-抗坏血酸作为还原剂的绿色方法,成功合成了稳定的零价铜Cu纳米颗粒,并且通过改变L-抗坏血酸的浓度合成了具有不同形貌的零价铜Cu纳米颗粒。在此基础上,利用原位水解法,成功将球形零价铜纳米颗粒与二氧化钛进行复合,制备了一系列不同质量比的Cu0@TiO2核壳结构复合光催化材料。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱、X-射线光电子能谱和能量色散X射线光谱对该复合物的组成、形貌、光吸收性质进行了表征;通过其在紫外-可见光和可见光下对2,4-二氯酚的降解,研究了其光催化活性及机理。研究结果表明,在紫外-可见光下,零价铜含量为0.5%对2,4-二氯酚的降解效率可以达到99.89%,几乎完全降解;在可见光下,零价铜含量为3%对2,4-二氯酚的降解效率达到90.31%。  2、成功合成了具有立方结构的Cu2O纳米颗粒,通过原位水解的方法,将其和二氧化钛进行复合,得到了Cu2O/TiO2复合光催化材料。通过扫描电子显微镜、X-射线衍射、紫外-可见漫反射光谱对该复合物的组成、形貌、光吸收性质进行了表征;对比研究了Cu2O纳米颗粒和Cu2O/TiO2复合光催化材料在可见光及紫外-可见光下对2,4-二氯酚的光催化降解性能,探讨了光催化机理。研究结果表明,无论在紫外-可见光还是可见光下,Cu2O/TiO2复合光催化材料的光催化活性都优于Cu2O纳米颗粒,在可见光下光照8小时,Cu2O/TiO2复合物对2,4-二氯酚的降解效率达到92.37%;在紫外-可见光下光照3小时,Cu2O/TiO2复合物对2,4-二氯酚的降解效率为68.6%。  3、利用水热法制备得到CuO纳米颗粒,通过原位水解的方法,将其和二氧化钛进行复合,得到了CuO/TiO2复合光催化材料。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X-射线光电子能谱对该复合物的组成、形貌、光吸收性质进行了表征;对比研究了CuO纳米颗粒和CuO/TiO2复合光催化材料在可见光及紫外-可见光下对2,4-二氯酚的光催化降解性能,探讨了光催化机理。研究结果表明,无论在紫外-可见光还是可见光下,CuO/TiO2复合光催化材料的光催化活性都优于CuO纳米颗粒,在可见光下光照8小时,CuO/TiO2复合物对2,4-二氯酚的降解效率达到82.03%;在紫外-可见光下光照3小时,CuO/TiO2复合物对2,4-二氯酚的降解效率为46.52%。
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