基于非晶合金的金属及金属氧化物催化材料制备与结构控制

摘要

如今，光催化与声催化技术已成为专家学者们十分青睐的染料降解方法。它们不仅绿色节能，而且高效实用，能够通过产生大量强氧化性的活性自由基来降解有机染料。为了制备高效的光催化材料及声催化材料，人们尝试了各种各样的合成方法，如水（溶剂）热法、共沉淀法、溶胶凝胶法、微波法以及静电纺丝法等。然而，这些方法的制备过程都极其繁琐，反应条件相对苛刻，而且十分依赖于复杂的实验设备。鉴于此，本文采用了基于非晶合金的催化材料制备方法：脱合金法和自蔓延燃烧法，并以铜基非晶条带为前驱体制备了金属氧化物光催化材料和纳米多孔金属声催化材料，通过对产物结构的控制实现了材料催化性能的提高，最后通过降解罗丹明B（RhB）和甲基橙（MO）染料对材料的催化性能进行评价。主要创新性结果如下： 基于Cu-Ti非晶条带采用硝酸（HNO3）腐蚀体系脱合金制备纳米TiO2光催化材料：通过腐蚀过程中添加表面活性剂、非晶合金中活性元素替代以及腐蚀产物热处理方式来实现对Cu70Ti30非晶条带腐蚀产物的结构控制和催化性能的改善。添加表面活性剂（K2SO4）延长了纳米TiO2的制备周期，实现了对TiO2晶体结构的控制，但纳米TiO2的光催化性能并没有因此而得到提高。相反，活性合金元素（Y）的替代不仅缩短了纳米TiO2制备周期，而且还细化了其微观结构，并由此提高了光催化性能。除了纳米TiO2的制备，还通过Cu60Ti30Sn10非晶条带脱合金制备了SnO2-TiO2固溶体及复合材料。其中，金红石TiO2/Sn0.42Ti0.58O2对RhB的降解效果好于金红石TiO2以及Sn0.42Ti0.58O2。 基于Cu-Ce非晶条带自蔓延燃烧合成p-CuO/n-CeO2异质结光催化材料：合成的样品由块状颗粒组成，尺寸介于20nm-2μm之间，分散性较好。由于半导体的合成效果与p-n异质结的形成，CuO/CeO2在可见光下对RhB的降解反应速率常数（k=0.18min-1）大于CuO（k=0.12min-1）和CeO2（k=0.10min-1），CuO/CeO2展现了十分优异的光催化性能。 基于Cu-Ce、Cu-Y非晶条带采用硫酸（H2SO4）腐蚀体系脱合金制备纳米多孔铜（NPC）：NPC的韧带尺寸会随着前驱体合金成分、腐蚀介质浓度、脱合金温度、反应时间的改变而发生变化。其中由Cu-Ce非晶条带脱合金制备的NPC韧带尺寸范围为107nm-438nm，而基于Cu-Y非晶条带制得的铜韧带尺寸则介于137nm-327nm之间。由于韧带的生长是通过基体-腐蚀液界面处Cu原子的扩散实现的，NPC的韧带尺寸与脱合金温度、腐蚀时间之间的关系可由多晶材料等温晶粒的扩散生长模型来表述，而这为NPC的结构优化调整提供了实验依据及理论基础。鉴于独特的3D纳米多孔结构，NPC在声催化降解MO方面得到了应用。其中，高分散性、韧带细小的NPC具有较大的比表面积和总孔容，可分别为空化泡和羟基自由基提供更多的形核位点和扩散通道，从而展现出了更为优异的声催化性能。除了纳米多孔铜的制备，还通过Cu70Y28Ag2非晶条带脱合金制备了fcc Cu-Ag固溶体纳米多孔材料。相对于Cu72Y28的脱合金产物，其韧带尺寸要小上几个数量级，由此实现了纳米多孔材料的韧带结构细化。

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