Cu/ZnO和Cu/TiO2复合材料的制备及性能研究

摘要

TiO2及ZnO是研究最广泛的两种半导体催化剂。这两种材料均表现出较好的催化活性，但由于其光生电子及光生空穴容易复合，导致其催化活性不高，因此有必要对TiO2及ZnO进行改性研究，提高其催化活性。在TiO2及ZnO表面沉积纳米金属Cu是目前研究较多的一种改性方法，光生电子向金属Cu迁移，延长了电子及空穴的寿命，从而提高其催化活性。沉积有金属Cu的TiO2及ZnO光催化剂不仅在光照下表现出较高的催化活性，在无光下也有一定的催化性能，因此有必要对无光下复合材料的结构、形貌及催化性能进行深入研究。本文主要是在常温下研究不同参数对Cu/ZnO复合材料及Cu/TiO2复合材料结构、形貌及无光下催化性能的影响。
　　(1)在常温下，以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作表面活性剂，氯化铜(CuCl2)作铜源，水合肼(N2H4·H2O)作还原剂，粉末氧化锌(ZnO)作载体，采用化学还原法将制备得到的纳米金属铜沉积到载体ZnO上，得到Cu/ZnO复合材料，通过降解甲基橙(MO)研究其在无光条件下催化降解性能。结果表明，随着铜源浓度的不断增加，即ZnO加入量的不断降低，ZnO表面负载的纳米Cu颗粒逐渐增多并团聚现象越来越明显，而其催化降解性能呈现先增加后减少的趋势，当铜源浓度为55.6％时，表现出最佳的催化活性;随着反应时间的不断增加，反应逐渐完全，ZnO表面的Cu颗粒逐渐增多，但并不是反应时间越长催化性能越好，当反应时间为3h时，MO降解效率可达到95％。此外，我们对Cu/ZnO复合材料在无光下的降解机理进行了探讨，并通过循环实验对样品的稳定性进行了检测。
　　(2)在常温下，以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作表面活性剂，氯化铜(CuCl2)作铜源，水合肼(N2H4·H2O)作还原剂，二氧化钛粉末(TiO2)作载体，采用化学还原法将制备得到的纳米金属铜沉积到载体TiO2上，得到Cu/TiO2复合材料，通过降解甲基橙(MO)研究其在无光条件下催化降解性能。系统研究了铜源浓度及反应时间对Cu/TiO2复合材料结构、形貌及催化降解性能的影响，结果表明，铜源浓度为38.6％、反应时间为4h时，Cu/TiO2复合材料催化活性最高，甲基橙降解效率达到了95.8％。而循环5次后，Cu/TiO2复合材料仍有较高的催化活性，降解效率仍在90％以上。
　　(3)以制备的Cu/ZnO复合材料及Cu/TiO2复合材料降解有害物质甲醛，系统研究了复合材料加入量、甲醛浓度、光源对甲醛降解效果的影响。结果表明，Cu/ZnO复合材料要比Cu/TiO2复合材料对甲醛的降解效果好，但并不是复合材料加入量越多，甲醛降解率越高，当Cu/ZnO复合材料加入量为0.5g时，降解效率最高，可达到97.7％，而甲醛浓度对甲醛降解效果影响较小，当甲醛浓度为20μg/mL时，催化效率最高，可达到98.2％，在可见光下Cu/ZnO复合材料对甲醛也有降解效果，但降解效率不高。
　　本文中复合材料的制备均是在常温下进行的，制备方法简单易行，生产成本较低，且具有较高的降解率，有望在污水治理和空气净化等方面获得应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 半导体光催化材料

1．2．1 半导体光催化材料研究现状

1．2．2 半导体光催化材料改性方法

1．3 表面贵金属沉积的研究

1．3．1 金属银(Ag)改性半导体材料

1．3．2 金属金(Au)改性半导体材料

1．3．3 金属铜(Cu)的性质

1．3．4 纳米金属铜的制备

1．3．5 纳米金属铜的应用

1．4 甲醛的概述

1．4．1 甲醛的性质

1．4．2 甲醛的来源

1．4．3 甲醛的危害

1．4．4 甲醛的检测方法

1．4．5 甲醛的治理

1．5 论文选题及主要研究内容

1．5．1 论文选题

1．5．2 主要研究内容

第二章 Cu／ZnO复合材料的制备及催化降解性能

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料及设备

2．2．2 样品的制备

2．2．3 测试表征

2．2．4 催化降解性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同铜源浓度对Cu／ZnO复合材料结构的影晌

2．3．2 不同反应时间对Cu／ZnO复合材料结构的影晌

2．3．3 无光条件下Cu／ZnO复合材料催化降解机理的初步探索

2．3．4 循环测试

2．4 本章小结

第三章 Cu／TiO2复合材料的制备及催化降解性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及设备

3．2．2 样品的制备

3．2．3 测试表征

3．2．4 催化降解性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同铜源浓度对CU／TiO2复合材料结构的影响

3．3．2 不同反应时间对Cu／TiO2复合材料结构的影响

3．3．3 循环测试

3．4 结论

第四章 Cu／ZnO及Cu／TiO2复合材料降解甲醛研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料及设备

4．2．2 溶液的配制

4．2．3 测试表征

4．2．4 催化降解性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 标准曲线的绘制

4．3．2 不同Cu／ZnO复合材料加入量对甲醛降解的影响

4．3．3 不同Cu／TiO2复合材料加入量对甲醛降解的影响

4．3．4 甲醛浓度对Cu／ZnO复合材料甲醛降解的影响

4．3．5 不同光源对甲醛降解的影响

4．3．6 甲醛降解机理的初步探索

4．4 结论

结论及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文