多孔Cu/Cu2O和Cu/Cu2O/SnO2薄膜的制备及其可见光光催化性能的研究

摘要

Cu2O是一种窄禁带半导体材料,禁带宽度约为2.0 eV,可在太阳光下引发光催化反应,被认为是在太阳能电池、光化学电池和光催化等方面具有应用潜力的材料。
　　 本文在304型不锈钢片基底上,制备了多孔Cu／Cu2O薄膜和多孔Cu／Cu2O／SnO2薄膜。以10 mL的3 mg／L罗丹明B(RhB)溶液为模拟污染物,在可见光(>380nm)照射条件下,研究了薄膜的可见光催化活性。运用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能量失散X射线谱(EDXS)、X射线粉末衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光发射光谱(FS)等表征手段,研究了制备条件对两种薄膜表面形貌、晶体结构、组成以及光催化性能影响规律,并讨论了薄膜的光催化反应机理。主要研究内容和结果如下:
　　 1.以氢气泡为动态模板,通过阴极电沉积制备了多孔金属Cu薄膜,再低温氧化得到多孔Cu／Cu2O薄膜,考察了电沉积-热氧化条件对薄膜结构、形貌及可见光降解RhB的性能。SEM、XRD和TEM实验结果表明,在30℃的0.2 mol／L CuSO4+1.5 mol／L H2SO4镀液中和1.5 A／cm2电流密度下电沉积20 s,再在空气气氛下于100℃加热氧化30 min,制备的多孔Cu／Cu2O薄膜主要由具有“Cu核-Cu2O壳”型结构的亚微米级Cu／Cu2O颗粒构成。在可见光下照射60 min,首次使用的薄膜光催化降解RhB的降解率达到91.4％。重复使用5次后,降解率仍保持在60％以上。显示出良好的可见光降解有机物的性能和较好的稳定性能。
　　 2.在自制的SnO2溶胶中,采用浸渍.沉积的方法在多孔Cu薄膜表面沉积多层SnO2纳米薄膜,再氧化得到多孔Cu／Cu2O／SnO2薄膜。研究了SnO2薄膜浸渍次数、氧化温度和氧化时间对薄膜光催化性能的影响。结果表明:多孔Cu薄膜经过在SnO2溶胶中浸渍5次,每次10 s,再在空气气氛下100℃加热氧化30 min,制备的多孔Cu／Cu2O／SnO2薄膜显示最好的光催化性能。首次使用时RhB的降解率达到98.4％,重复使用15次后,降解率保持在80％左右。多孔Cu／Cu2O／SnO2薄膜比多孔Cu／Cu2O薄膜显示出了更高的光催化活性和稳定性。
　　 3.UV-Vis DRS的分析结果表明,两种薄膜的吸收带边在600 nm处,且多孔Cu／Cu2O／SnO2薄膜的吸收强度显著大于多孔Cu／Cu2O薄膜。FS的分析结果显示,两种薄膜都具有较强的荧光发射光谱,多孔Cu／Cu2O／SnO2荧光强度更强,薄膜的光催化活性与荧光强度成正比。