纤维素基复合气凝胶的制备及光催化性能研究

摘要

水，作为万物之源，在自然界和生物活动中有着重要的地位。随着工业和生活污水的大量排放，水污染问题日益加重，对人类的饮水健康已造成了极大的威胁。传统的污水处理方式主要以物理吸附为主，低效且不能直接分解污染物。对此，大量的科研工作者致力于开发出绿色高效的污水处理材料。光催化剂可以直接将有机染料分解为无毒分子或还原重金属离子，十分清洁高效。因此，将光催化技术应用于污水处理中引起了广泛的关注。但是，目前各种光催化剂常以粉末形式存在，在实际应用中存在光催化效率低、循环使用性差、易造成二次污染等缺点；或者已有一些将光催化剂搭载于纤维、薄膜、多孔气凝胶等骨架材料上的尝试和探索，但仍存在降解效率低和可回收性差等不足。　　本论文选用自然界中大量存在，且具有可降解性、可再生性、良好力学性能的纤维素作为基体，引入可见光催化剂氧化亚铜(Cuprousoxide,Cu2O)和氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)。通过不断地改进纤维素基复合气凝胶制备的思路和方法，获得了三种纤维素基复合气凝胶，达到对有机染料高效光催化降解的效果。对此，从以下三个方面展开研究工作：首先，采用Cu2O原位生长于微晶纤维素(Microcrystallinecellulose,MCC)水凝胶内部后冷冻干燥的方法，获得一系列的MCC/Cu2O复合气凝胶，研究了在该复合气凝胶中Cu2O颗粒形貌的演化及对光催化降解性能的影响。然后，进一步引入能富集有机染料的GO，与制备好的Cu2O颗粒和MCC直接复合获得新型复合气凝胶，研究了该复合气凝胶中不同Cu2O与GO含量对光催化降解性能的影响。最后，通过Cu2O纳米颗粒原位生长于MCC/GO水凝胶内部后冷冻干燥的方法，获得一系列的MCC/GO/Cu2O复合气凝胶，进一步精确调控Cu2O纳米颗粒在复合气凝胶的尺寸及分散分布。取得主要研究成果如下：　　(1)采用Cu2O原位生长于纯MCC水凝胶内部后冷冻干燥的方法，成功制备了含有不同形貌Cu2O颗粒的MCC/Cu2O复合气凝胶。形貌表征发现，MCC/Cu2O复合气凝胶内具有一系列不同形貌的Cu2O颗粒，尺寸均为微米级，而且Cu2O与纤维素之间存在明显的界面接触。通过对复合气凝胶中物相定性分析，充分证实复合气凝胶仅含有立方系Cu2O晶体和纤维素Ⅱ晶型，且Cu2O和MCC两者之间的强相互作用。在此基础上，对MCC/Cu2O复合气凝胶内部Cu2O晶体生长机理进行了详细地阐述，即纤维素对Cu2O具有特定晶面选择性，游离的葡萄糖和纤维素大分子链协同对Cu2O形貌进行控制。光催化降解性能测试结果表明，MCC/Cu2O复合气凝胶对阳离子染料亚甲基蓝(Methylene blue, MB)具有更好的光催化降解性能，MCC/Cu2O-10C复合气凝胶对MB的光催化降解性能最优；而对阴离子染料甲基橙(Methyl orange, MO)无明显效果。　　(2)通过溶剂热法制备的Cu2O微球与GO、MCC直接复合，成功制备了一系列MCC/Cu2O/GO复合气凝胶。结构表征发现，Cu2O颗粒和GO纳米片之间具有较强的相互作用；复合气凝胶微观形貌观察发现，其具有典型的多孔结构，同时GO的引入可以一定程度上改善Cu2O颗粒在复合气凝胶中的分散性；比表面积测试表明，MCC/Cu2O/GO复合气凝胶具有更大的比表面积。光催化降解性能测试结果表明，MCC/Cu2O/GO复合气凝胶对MB具有优异的光催化降解能力，其光催化降解能力是由Cu2O的分散性和含量、GO的含量等因素决定的。MCC/Cu2O-2:1/GO-4复合气凝胶表现出最高的去除率，达到77.9％，并且降解效率最高达到83.62mg/(mg·h)，这比其他文献报道的Cu2O复合光催化材料的效率更高。由于复合气凝胶的多孔结构、以及Cu2O和GO复合结构的形成，构造出“微反应器”的作用，对MB进行了高效的光催化降解过程。MCC/Cu2O/GO复合气凝胶的光催化降解稳定性测试表明，该复合气凝胶具有较好的循环使用性。　　(3)采用Cu2O原位生长于MCC/GO水凝胶内部后冷冻干燥的方法，成功制备出了MCC/GO/Cu2O复合气凝胶。形貌表征发现，在相同GO含量而CuSO4/葡萄糖摩尔比不同时，MCC/GO/Cu2O复合气凝胶内具有不同尺寸的Cu2O纳米颗粒；CuSO4/葡萄糖摩尔比为1.07时，在MCC/GO/Cu2O复合气凝胶内的Cu2O纳米颗粒约为500nm；摩尔比为1.71时，Cu2O纳米颗粒约为300nm。特别地，Cu2O纳米颗粒仅分布于GO周围，颗粒尺寸及分散都十分均匀。微观结构表征证实，该复合气凝胶内部成功生成了立方系Cu2O晶体，且Cu2O与GO之间存在强相互作用，进一步解释了Cu2O的选择性分布与GO的存在紧密相关。通过本论文的研究，初步达到了精确调控Cu2O纳米颗粒在复合气凝胶的尺寸及分散分布情况的目的，为MCC、Cu2O、GO三者之间构筑纤维素基复合气凝胶提供新的方法和思路。

目录

声明

第一章 前言

1.1引言

1.2纤维素基光催化复合材料

1.2.1纤维素的结构

1.2.2纤维素基光催化复合材料的制备

1.2.3纤维素基光催化复合材料的性能

1.3 氧化亚铜光催化剂

1.3.1氧化亚铜的结构

1.3.2氧化亚铜的制备及形貌调控

1.3.3氧化亚铜光催化性能与晶面的依赖性

1.4 纤维素/氧化亚铜光催化复合材料

1.4.1纤维素/氧化亚铜复合材料的制备

1.4.2纤维素/氧化亚铜复合材料对有机染料的光催化降解性能

1.5本论文的目的、意义及主要研究内容

1.5.1本论文的目的、意义

1.5.2本论文的主要研究内容

第二章 纤维素水凝胶三维受限空间对氧化亚铜形貌的调控

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验设备与仪器

2.2.3 样品制备

2.2.4 测试与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 MCC/Cu2O复合气凝胶的 SEM结果分析

2.3.2 MCC/Cu2O复合气凝胶的 XRD结果分析

2.3.3 MCC/Cu2O复合气凝胶的 FTIR结果分析

2.3.4 MCC/Cu2O复合气凝胶的 XPS结果分析

2.3.5 MCC/Cu2O复合气凝胶的光催化降解性能

2.4 本章小结

第三章 MCC/Cu2O/GO 复合气凝胶的制备及光催化降解性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验设备与仪器

3.2.3 样品制备

3.2.4 测试与表征

3.3结果与讨论

3.3.1 Cu2O/GO复合粒子的表征分析

3.3.2 MCC/Cu2O/GO复合气凝胶的微观形貌

3.3.3 MCC/Cu2O/GO复合气凝胶的比表面积

3.3.4 MCC/Cu2O/GO复合气凝胶的热稳定性

3.3.5 MCC/Cu2O/GO复合气凝胶的晶体结构

3.3.6 MCC/Cu2O/GO复合气凝胶的光催化降解性能

3.3.7 MCC/Cu2O/GO复合气凝胶的光催化降解稳定性

3.4本章小结

第四章 MCC/GO/Cu2O 复合气凝胶的制备

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验设备与仪器

4.2.3 样品制备

4.2.4 测试与表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 MCC/GO/Cu2O复合气凝胶的 SEM结果分析

4.3.2 MCC/GO/Cu2O复合气凝胶的 XRD结果分析

4.3.3 MCC/GO/Cu2O复合气凝胶的 FTIR结果分析

4.3.4 MCC/GO/Cu2O复合气凝胶的 XPS结果分析

4.4本章小结

结论及展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

附录