三维Cu_2O纳米线/Cu网催化剂的制备及其生长机制的探究

作者:郭超;杨丽霞; 刊名:江西化工 上传者:杜爱武

【摘要】光催化技术是一种高效、环保的去除有机污染物的技术。三维定向的结构易于有利于光子的吸收并且中间产物不易堆积在催化剂上,易于光催化剂的再生利用。宽带隙的半导体改性过程增加了合成材料的成本,直接寻找对太阳光吸收范围更宽的光催化剂是我们致力研究的方向。铜网以其本身较为廉价、导电及相应的半导体光催化剂是当下研究的热点。本文通过简单的阳极氧化技术在金属铜网上原位生长三维结构的Cu_2O纳米线/Cu网催化剂。通过控制制备过程中的不同条件,在O2和OH-存在下,自发形成Cu_2O纳米线阵列,并且NaOH浓度是形态控制的决定因素。

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三维 Cu2 O 纳米线 /Cu 网催化剂的制备及其生长机制的探究 郭 超 杨丽霞 ( 南昌航空大学,江西 南昌 330063) 摘 要:光催化技术是一种高效、环保的去除有机污染物的技术。三维定向的结构易 于有利于光子的吸收并且中间产物不易堆积在催化剂上,易于光催化剂的再生利用。宽 带隙的半导体改性过程增加了合成材料的成本,直接寻找对太阳光吸收范围更宽的光催 化剂是我们致力研究的方向。铜网以其本身较为廉价、导电及相应的半导体光催化剂是 当下研究的热点。本文通过简单的阳极氧化技术在金属铜网上原位生长三维结构的 Cu2 O 纳米线 /Cu 网催化剂。通过控制制备过程中的不同条件,在 O2和 OH - 存在下,自发形成 Cu2O 纳米线阵列,并且 NaOH 浓度是形态控制的决定因素。 关键词:三维; 光催化剂; 阳极氧化; Cu2O 纳米线 /Cu 网 1 引言 环境污染和能源短缺已经成为阻碍人类社会继续 前进的两大难题,世界各国 都在大力的控制环境污染和开发新能源。光能转 化成热能和电能的应用已经很平常,如太阳能热水器、 太阳能电池等,光能也可以转化为化学能,光催化技术 就是利用这一原理的新兴技术。自 1972 年 Fujishima 和 Honda[1]首先发现在光照时 TiO2对水的光致分解,引起了人们对 TiO2 光电催 化活性研究的热潮。光催化降解过程的关键因素是产 生具有强氧化性的活性物种,空穴、超氧自由基和羟基 自由基。光催化技术过程包括光化学和氧化还原两个 过程。由于电子 - 空穴分别具有还原能力,使得光催 化剂不需要其他的化学助剂就可在温和的条件下吸收 光能,实现对大部分污染物的降解。TiO2由于其大的禁 带宽度 3. 2eV,在太阳光的利用上受到极大限制,大约 只能利用 3%的太阳光。为了拓宽 TiO2 在可见光区域 的吸收,研究人员主要在以下几个方面进行了探索,掺 杂金属[2]、非金属离子[3],贵金属沉积修饰[4]以及窄禁 带半导体复合修饰[5],或者直接寻找窄带隙的半导体 光催化剂[6 - 7]。Cu2 O 中存在 Cu 原子空位,造成空穴 的产生,因此 Cu2 O 是一种 p 型半导体材料。Cu2 O 禁 带宽度约为 2. 17eV,是一种直接带隙半导体,是半导体 中少数能直接被可见光激发的材料。加上成本低廉, 引起科学研究者广泛的关注。纳米线相较于纳米颗粒 具有更大的比表面积和表面能,具有较高的电荷载流 子传输效率,使其具有较强的电荷收集效率。纳米线 大的纵横比为沿垂直方向改善光吸收提供了一条很长 的光路,而它小得多的直径可以在较短的距离内促进 少数的径向收集,从而最大程度的降低了材料内部重 组的可能性。三维纳米线结合开放式结构和纳米线的 优点,同时规避粉体材料的一些缺点。 制备全固态光催化剂一般有两种方法,一种是在 类似石墨烯纸上镀膜或是颗粒修饰形成三维光催化 剂[8]。另一种是典型的阳极氧化技术,例如 TiO2 纳米 管阵列[9]。与镀膜法相比,阳极化法设备简单、操作方 便,是构建固体、集成和三维光催化剂更为方便的方 法。阳 极 氧 化 的 关 键 因 素 是 基 底。有 相 关 的 报 道 铝[10]、钛[11]、钨[12]、钼[13]、钽[14]等金属可以在电解液 中阳极氧化,并自组装在这些金属基底上生长有序排 列的纳米结构的 MOx。由于广泛的技术应用和对降维 结构的内在特性的兴趣,在金属箔或网格式形成一维 纳米线、晶须、纳米管或三维球体引起了人们广泛的关 注。近年来,我们发现铜是另一种很有前途的金属,可 以通过

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