一维氧化亚铜的制备及其光催化性能的研究

论文摘要

光催化技术是一种新型的废水处理技术,具有降解效率高、反应彻底、原料廉价、化学性质稳定和可以利用太阳光等突出的优点,与传统的水处理技术相比具有巨大的优越性,因而具有广阔的应用前景。目前市场上成功利用太阳光处理污水的光催化剂是二氧化钛（TiO2）,然而该种物质需要紫外光才能被激发,还有很多缺陷,因而利用可见光作为光能源来处理污水一直是专家学者们所追求的目标。而氧化亚铜（Cu2O）的禁带宽度约为2.2eV,可以被波长为390nm-780nm的可见光激发,是少有的能被可见光激发的半导体材料；另外Cu2O无毒,制备成本低,理论利用率较高。1998年,Ikeda等人利用氧化亚铜（Cu2O）在太阳光做光能源的条件下将水分解成氢气和氧气,这就意味着Cu2O作为光催化剂具有很好的光催化性能。准一维纳米材料的特殊的光学、电学和磁学性质引起了众多科学家们的重视。准一维氧化亚铜纳米材料的制备方法众多,包括低温固相法、模板法、电沉积法、水热/溶剂热法、液相还原法等。亚硫酸盐还原法就是最传统的一种制备氧化亚铜的液相还原法,但是利用亚硫酸盐还原法制备一维氧化亚铜的研究至今还尚未有报道。本论文的工作主要是研究亚硫酸盐还原法制备一维氧化亚铜的实验条件,并考察了制备出的一维氧化亚铜的光催化活性和热稳定性。实验过程中首先用阳离子表面活性剂——十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）做模板剂,用亚硫酸盐还原法制备出一维氧化亚铜,然后用XRD、SEM、DTA-TG等手段来表征制备的样品,并确定了最佳的制备工艺条件,即：以五水硫酸铜溶液（CuSO4·5H2O）和醋酸钠/醋酸（NaAc/HAc）溶液混合、亚硫酸钠溶液（Na2SO3）和CTAB溶液混合,当CTAB浓度为其4倍的临界胶束浓度（CMC）、铜源浓度为0.075mol/L、反应温度为90℃、反应时间为120min、短时10min搅拌时,制备得到长度在5-10μm、直径在0.2-0.5μm、长径比约为10-30的棒状氧化亚铜。并探讨了一维氧化亚铜的生长机理。将制备出的一维氧化亚铜作为光催化剂在自然光下降解甲基橙溶液,120mg催化剂在90min就能使100mL、40mg/L的甲基橙溶液的降解率达到94.2%。最后,利用不同程序控温速率下的DTA-TG图谱,用Kissinger法和FWO法计算了亚硫酸盐还原法制备的一维氧化亚铜的氧化动力学参数,氧化反应的表观活化能E=174.52KJ·mol-1,指前因子A=7.16×1012,相应的反应级数n=0.99。通过重复性实验说明制得的一维氧化亚铜在室温、静止空气中具有良好的热稳定性。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 引言
• 1.1 氧化亚铜的研究综述
• 1.1.1 氧化亚铜的基本性质
• 1.1.2 氧化亚铜的制备方法
• 1.1.3 氧化亚铜的应用前景
• 1.2 半导体光催化技术
• 1.2.1 半导体光催化机理
• 1.2.2 半导体光催化的研究现状及其发展趋势
• 1.3 一维氧化亚铜的研究现状
• 1.3.1 一维氧化亚铜的制备方法
• 1.3.2 一维氧化亚铜光催化性能
• 1.4 表面活性剂的研究现状
• 1.4.1 表面活性剂的结构及分类
• 1.4.2 表面活性剂在溶液中的聚集行为
• 1.4.3 CTAB的结构与性质
• 1.5 研究目的及内容
• 2 一维氧化亚铜的制备及其表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器及药品
• 2.2.2 一维氧化亚铜的制备
• 2.2.3 一维氧化亚铜的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 样品的XRD分析
• 2.3.2 形成一维氧化亚铜的机理探讨
• 2.3.3 制备条件讨论
• 2.4 本章小结
• 3 一维氧化亚铜的光催化性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器及药品
• 3.2.2 实验原理
• 3.2.3 实验过程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 空白实验
• 3.3.2 催化剂加入量及光照时间的影响
• 3.3.3 催化剂重复使用的影响
• 3.4 本章小结
• 4 一维氧化亚铜的氧化动力学
• 4.1 引言
• 4.2 测试原理
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 一维氧化亚铜的制备
• 4.3.2 氧化动力学研究
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 表观活化能和指前因子
• 4.4.2 反应级数
• 4.4.3 重复性实验
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 5.1 本论文的创新点
• 5.2 下一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表的学术论文