殼結(jié)構(gòu)Cu2O@TiO2球狀顆粒制備和光催化性能探討

劉發(fā)強， 夏培蓓， 李玉梅， 吳詠梅

(新疆工程學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091)

核/殼結(jié)構(gòu)納米材料是一種新型的復(fù)合材料，因為其結(jié)構(gòu)相對來說比較特殊，同時具有許多良好的形式，因此在生物、醫(yī)學(xué)、電、磁、光等眾多領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用價值。而納米氧化亞銅則是一種P型半導(dǎo)體材料，可以通過光照射將其激發(fā)。而專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)結(jié)合氧化亞銅與光催化能夠有效地提高光催化性效率。而二氧化鈦具有催化活性高、無毒、抗腐蝕性強等特點，但是二氧化鈦對于可見光的利用率低。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、鈦酸四丁酯、無水乙醇、三水合硝酸銅，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

DHG-9039A型電墊恒溫鼓風干燥箱；KQ-100DV型數(shù)控超聲波清洗器；TG165醫(yī)用離心機；JSM-6610LV型掃描電子顯微鏡；DX-2000型X射線衍射儀；箱式電爐；DZF-6050型真空干燥箱[1]。

1.2 Cu2O的制備與表征

稱取三水合硝酸銅0.392 g與聚乙烯吡咯烷酮碘0.200 0 g，量取30 mL乙二醇，在乙二醇中將三水合硝酸銅與聚乙烯吡咯烷酮進行溶解，并將經(jīng)過溶解之后的溶液放置在50 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼高壓釜中，密封之后將反應(yīng)釜放入箱式電爐，并設(shè)置溫度180 ℃，靜待3 h，取出后自然冷卻至室溫，然后使用無水乙醇與去離子水進行反復(fù)清洗，在60 ℃的真空干燥環(huán)境下放置4 h備用[2]。

1.3 Cu2O@TiO2的制備

首先，稱取4份0.025 0 g氧化亞銅，然后將其均勻分散在無水乙醇中，無水乙醇4 mL，在無水乙醇中依次加入10、30、50、80 μL鈦酸四丁酯，將其進行充分的攪拌之后，在聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中添加4 mL去離子水，在內(nèi)襯底部的中心放置小燒杯，并密封反應(yīng)釜，然后將其放置在真空干燥箱中，設(shè)置溫度為150 ℃，加熱1 h，等到反應(yīng)釜自然冷卻到室溫之后，使用無水乙醇與去離子水進行重復(fù)清洗，并同樣放置在真空干燥箱中，設(shè)置60 ℃干燥4 h，放置備用。

2 結(jié)果及討論

2.1 Cu2O形貌與結(jié)構(gòu)表征

如第2頁圖1a)、b)所示，氧化亞銅的形貌主要表現(xiàn)為圓球狀，其直徑大約在300 nm，其主要表現(xiàn)為分布均勻，具有較好的形貌一致性。同時，選擇衍射峰的三強線，并與PDF#0.99卡片進行比較，其結(jié)果顯示為，實驗所制備的樣品為Cu2O。

2.2 Cu2O@TiO2與Cu2O的形貌與結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 不同制備條件

Cu2O為0.025 0 g，鈦酸四丁酯為10 μL，時間為1 h，選取衍射峰的三強線，并與標準PDF#21-127以及標準PDF#77-1099卡片進行比較。結(jié)果顯示，實驗室制備的樣品成分主要為Cu2O與TiO2。氧化亞銅的直徑為300 nm。

圖1 樣品的各項表征結(jié)果

2.2.2 不同條件下Cu2O@TiO2的制備結(jié)果

Cu2O@TiO2的直徑依次為600、800、1 000、1 300 nm，并且形狀基本上均為圓球狀。但是，對于球狀進行比較可以發(fā)現(xiàn)，鈦酸四丁酯的添加量對Cu2O@TiO2的直徑有直接影響。

添加鈦酸四丁酯的量之所以能夠?qū)u2O@TiO2大小產(chǎn)生直接的影響，其原因是隨著鈦酸四丁酯量的逐漸增加，Cu2O小球表面包裹的TiO2殼也越來越厚。

3 Cu2O@TiO2的光催化性能

為了對Cu2O@TiO2、TiO2、Cu2O的光催化性能開展測試，將500 W的疝燈作為光源，以甲基橙溶液作為降解染料。其實驗步驟為：將0.02 g的Cu2O@TiO2、TiO2以及Cu2O放置在一個100 mL的燒杯中，并在燒杯中溶解40 mL的20 mg/L的甲基橙溶液。然后開始進行攪拌，首先是暗環(huán)境攪拌，并在經(jīng)過20 min之后，開展取樣離心操作，在波長為464 nm的可見光下測試吸光度，并靜置10 min之后重復(fù)進行測試。然后，在可見光的環(huán)境下進行光催化反應(yīng)，每間隔10 min對于剩余的甲基橙開展一次濃度測試，圖2所示為測試結(jié)果。

圖2 在可見光照射下不同光催化劑對于甲基橙的降解曲線

4 結(jié)論

綜上所述，本文通過利用溶劑熱法制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的Cu2O@TiO2光催化復(fù)合材料。而在進行制備的過程中發(fā)現(xiàn)Cu2O表面沉積在TiO2的殼層厚度可以通過鈦酸四丁酯不同的添加量進行控制，對于球狀的外貌無任何影響。而在室溫可見光下，使用氙燈開展光催化檢測，發(fā)現(xiàn)Cu2O@TiO2的光催化性要優(yōu)于Cu2O@TiO2的光催化性能，可能是由于p-n異質(zhì)結(jié)的形成能夠?qū)藲そY(jié)構(gòu)的Cu2O@TiO2產(chǎn)生良好的催化效果。