中空立方形的納米硫化銅顆粒的合成及其光催化性能的探究

汪永彬 張立新 王瑗鐘

（中北大學化工與環(huán)境學院，山西 太原 030051）

中空立方形的納米硫化銅顆粒的合成及其光催化性能的探究

汪永彬 張立新 王瑗鐘

（中北大學化工與環(huán)境學院，山西 太原 030051）

首先運用水熱法合成氧化亞銅立方形納米籠狀微粒，再添加硫代乙酰胺和聚乙烯吡咯烷酮（PVP），對Cu2O進行硫化得到立方體型CuS。該合成方法簡單、反應條件溫和，是合成納米材料的一種有效方法。通過掃描電子顯微鏡(SEM)考察PVP用量對產物形貌的影響，并初步研究其形成過程。用X射線衍射(XRD)對產物進行表征。最后研究了樣品在可見光下對甲基橙的光催化降解性能。

硫化銅 PVP 立方形 光催化降解

1 引言

硫化銅是一種重要的過渡金屬硫化物，是一種化學穩(wěn)定性好的多功能合成材料[1]。由于過渡金屬硫化物具有出色的光電性質[2-5]，特別是硫化銅自組裝體，已引起廣泛的研究興趣。目前，合成硫化銅的主要方法有化學沉積法、前驅物溶劑熱分解法、熱注入化學反應法、微乳法等[6-9]。立方形CuS由于量子尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，具有塊體材料無法比擬的光電特性。因此，立方形CuS納米粒子在光催化性能上表現(xiàn)出了它的優(yōu)勢[10-13]。同樣，它在制備發(fā)光二極管、光催化劑和電化學電池等方面有潛在的應用[14-19]。

本文運用水熱法合成了Cu2O立方體，隨后經(jīng)過硫化得到中空立方體形CuS。由于中空結構具有較大的比表面積，因此表現(xiàn)出了較好的對甲基橙的光催化降解性能。

2 實驗部分

2.1 儀器和試劑

日本島津公司的D/MAX-3C X射線衍射儀，用Cu-Kα輻射源，采用的管壓為40 kV，管流為40mA，掃描速度為 6/min；日本電子株式會社型號為JSM-6490LV的掃描電子顯微鏡；日本生產的型號為JEOL 2011透射式電子顯微鏡；分析天平PL203，梅特勒-托利多儀器上海有限公司產；數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，型號為HJ-3，鞏義市予華儀器有限責任有限公司產；反應釜型號HH-Z，鞏義市予華儀器有限責任有限公司產；電熱恒溫鼓風干燥箱DHG-9030A，鞏義市予華儀器有限責任有限公司產；高速離心機TG-16，鞏義市予華儀器有限責任有限公司產；KQ 5200DA型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產；DY-AV型光化學反應儀，上海德洋意邦有限公司產。

聚乙烯吡咯烷酮，甲基橙，CuSO4.5H2O，NaOH，葡萄糖，硫代乙酰胺均，為從鄭州阿爾法化工有限公司購得的分析純試劑。使用前未經(jīng)任何提純。本實驗使用的水為實驗室自產去離子水。

2.2 實驗步驟

2.2.1 還原法制備Cu2O

將25g CuSO4.5H2O溶于75ml水中，攪拌使其完全溶解。24g NaOH溶于75ml水中，后把兩種溶液混合均勻。再配置50ml的1mol/L的葡萄糖溶液。將三者水浴加熱到80℃，等溫度恒定，將上述溶液混合加到500ml的四口燒瓶中，還原反應0.5h。反應結束后，用去離子水和無水乙醇洗滌產物，干燥。

2.2.2 硫化Cu2O制備CuS

將Cu2O分散到定量200ml的去離子水中，水浴溫度調至到70℃后，添加7.52g硫代乙酰胺和定量的PVP（0.20g、0.225g、0.275g 和0.30g四組）。硫化反應2h后，用去離子水洗滌三次，干燥既得產物。

2.2.3 光催化降解實驗

配置0.1g/L濃度的甲基橙溶液1L備用。配好的甲基橙溶液量取5ml置于反應容器中，再將一定質量的立方形CuS微粒加入到反應器中，用超聲清洗儀超聲3min，然后置于暗處0.5h已達到吸附平衡。后將反應器放入光化學反應儀中用氙燈（可見光420nm波長）照射，待反應完全后將催化劑和反應液離心分離，用紫外分光光度計分析反應液濃度。用公式：

降解率=（C0-C）/C0×100%

計算降解率。式中C代表即時濃度，C0初始濃度。

3 結果與討論

3.1 產物的XRD分析

圖1顯示了產物的XRD圖，將該圖中顯示相應的峰位、對應的晶面與CuS標準卡片的吸收峰相對比。2θ角為26.4、27.9、29.3、32.0、33.9、37.8、46.6、48.8和54.5分別對應CuS的（004）、（100）、（102）、（103）、（006、(105)、（110）、（108）和（202）晶面的衍射峰。與CuS的標準卡片JCPDS No.06-046相一致，沒有發(fā)現(xiàn)其他的雜峰，說明我們得到了較為純凈CuS。

3.2 產物的SEM、TEM表征

圖2中A為所制備的Cu2O的SEM圖，可知得到的為立方體結構，單分散性較好，立方體的邊長約為1 m。圖B、C、D、E 為不同PVP用量得到的產物的SEM圖。可以看出，在PVP加入0.275g的時候，產物的粒徑最均勻，形貌最優(yōu)。從E圖的破面（黑色圓圈部分標出）可以知道產物為中空結構，邊長約為1-1.5 m。

從以上的實驗結果可知：隨著PVP用量的增加，可以得到均勻性和分散性良好的立方形的產物，立方形的生長經(jīng)歷了結晶、溶解、再結晶的過程。

3.3 產物的光催化性能測試

圖3考察了光催化反應8min時，CuS的使用量對甲基橙溶液的降解率的影響。由圖3可知，當催化劑用量較低時，降解量隨著催化劑量的增加而快速增加，當催化劑量超過8mg時，再增加催化劑量，降解率幾乎不變。從而得出結論：甲基橙的降解量隨著催化劑量的增加而增加，當催化劑的量超過8mg時，降解率趨于穩(wěn)定。因而，我們選擇催化劑用量為8mg,此時的用量達到最適值。

圖4是8mg CuS降解0.1g/L甲基橙溶液不同時間所產生的不同效果。降解反應的開始階段，降解的速率較快。當光照大約10min以后，隨著時間的推移，甲基橙溶液的濃度幾乎不怎么變化。這說明光反應的有效時間約為10min，如果再增加光照時間并不能提高光催化效果。

4 結論

運用水熱法在液相中合成了中空立方形CuS納米粒子。CuS立方形的納米籠的邊長平均為1 m。實驗過程中，中間體Cu2O起到了模版的角色，隨著PVP和硫代乙酰胺的加入，與氧化亞銅進行硫化反應，最終得到中空立方形的CuS。這一反應機理經(jīng)歷了結晶、溶解、再結晶的過程。

以降解甲基橙溶液為基準研究了該樣品的可見光催化性能，發(fā)現(xiàn)中空立方形CuS表現(xiàn)出良好的可見光催化活性，最佳的用量為8mg，最佳降解時間為10min，用量少，降解速度快，催化劑分離效果好。此外，我們同樣將產物應用于其他的有機物的降解中去，發(fā)現(xiàn)它對亞甲基藍、羅丹明B和活性黑也有很好地催化效果。

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The synthesis of hollow cube of copper sulfide nanoparticles and its performance of photocatalytic ablities

Wang Yongbin Zhang Lixin Wang Yuanzhong
(Chemical Engineering and Environment Institute, North University of China, Taiyuan 030051, P. R. China)

First the method of hydrothermal be used to synthetize cuprous oxide nano particles cage structure. After add thioacetamide and polyvinylpyrrolidone (PVP), CuS gotted in the presence of vulcanization cubic shape of Cu2O. the synthetic method is simple and reaction conditions be mild, which is an effective method for the synthesis of nanomaterials.by scanning electron microscope (SEM),we study the effect of dosage of PVP to the morphology of the product, and do preliminary studies to understand its formation process. X-ray diffraction (XRD) was carried out on the product. the last sample was studied in visible light photocatalytic degradation of methyl orange.

copper sulfi de;PVP; cube; photocatalytic degradation

TM 344.1

A

T1672-8114(2013 )06-054-04

汪永彬（1987-），男，河南信陽人，中北大學化工與環(huán)境學院在讀碩士