CuO納米結(jié)構(gòu)的形貌可控制備及其光催化性能

1、CuO納米結(jié)構(gòu)的形貌可控制備及其光催化性能納米氧化銅(Cu0)是一種具有窄帶隙的p型半導體光催化材料，在環(huán)境污染 治理等很多領域都具有廣泛的應用前景。然而，納米CuO的常規(guī)制備工藝成本偏 高、操作復雜等缺陷嚴重制約了納米 CuO光催化材料在環(huán)境污染治理中的實際應 用。因此，探索一種操作簡便、成本低廉的納米CuO制備工藝,并研究其工藝參數(shù)、 結(jié)構(gòu)特征、性能三者之間的相互作用關(guān)系，對于納米CuO光催化材料在環(huán)境污染 治理領域的應用有著十分重要的現(xiàn)實及理論指導意義。本論文針對目前制備納米 CuC過程中存在的問題,采用電化學沉積工藝,通 過調(diào)控電沉積工藝參數(shù)，系統(tǒng)研究工藝參數(shù)對CuO納米結(jié)構(gòu)的影響，從

2、而實現(xiàn)納 米CuO薄膜制備過程的可調(diào)控性，在此基礎上，進一步探索研究不同工藝條件制 備的納米CuO薄膜的生長機理及其應用于環(huán)境污染治理領域時的光催化機理，取 得的主要研究成果如下 :第一, 采用電化學沉積工藝 , 通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù) (電沉積 電壓、電解液pH值、電沉積時間、電沉積溫度等),得到制備由納米顆粒組成的 雪花狀納米CuO薄膜的最佳工藝條件,并對雪花狀結(jié)構(gòu)的納米CuO薄膜進行過渡 金屬離子(La3+、Mn2+ Zn2+)摻雜改性,結(jié)果表明，過渡金屬離子摻雜改性影響納 米CuO薄膜的微觀結(jié)構(gòu),可有效提高其光催化性能。第二,不同的混合電解液體系 對制備納米CuO薄膜的結(jié)構(gòu)具有重要影響。當選

3、擇 CuSO4乳酸混合電解液體系 時,制備出由納米顆粒組成的八面體結(jié)構(gòu)和針狀結(jié)構(gòu)的納米CuO薄膜;當選用Cu(NO3)2/NH4CI混合電解液體系時,制備出由納米片以不同方式構(gòu)成的十字形 疊層結(jié)構(gòu)、束狀結(jié)構(gòu)、花簇狀結(jié)構(gòu)的納米 CuO薄膜；當選用Cu(NO3)2/NH4NO混 合電解液體系時,制備出了纖維狀Cu O納米結(jié)構(gòu)與花球狀CuO納米結(jié)構(gòu)。對以上不同結(jié)構(gòu)的納米CuO薄膜進行模擬有機污染物降解實驗結(jié)果表明，均 具有較好的光催化性能。第三 , 通過采用 Full-prof 軟件對不同電解液條件下制 備的納米Cu O薄膜的XRD圖譜進行了 Rietveld結(jié)構(gòu)精修,發(fā)現(xiàn)可在酸性至堿性 的電解液中

4、制得純度較高、結(jié)晶度較好的CuO納米結(jié)構(gòu)。不同電解液體系制備的 CuO對其本身的晶體結(jié)構(gòu)影響較小，晶胞參數(shù)實驗值比理論值略微偏小，均可作 為高效合成CuO納米結(jié)構(gòu)的途徑。通過晶體結(jié)構(gòu)精修,得到摻雜鑭的納米CuO薄膜在結(jié)構(gòu)上與理論結(jié)構(gòu)基本吻 合, 沒有引入雜相或新相 , 結(jié)合光催化測試結(jié)果 , 我們能夠得出 , 摻雜改性可以提 高納米CuO薄膜的光催化效率。針對不同的實驗體系及參數(shù),可以得出,根據(jù)不同 的制備要求和用途,可選擇不同的制備體系得到 CuO納米結(jié)構(gòu)。第四,對樣品生長 機理的研究發(fā)現(xiàn),不同電解液體系制備的Cu2O經(jīng)退火后得到納米CuO薄膜,均符 合多層結(jié)構(gòu)。醋酸電解液環(huán)境中制備的雪花狀

5、 CuO納米結(jié)構(gòu),主要受膠束作用影響,即 Cu2O晶核在特定晶面方向上的生長受限，而其它晶面方向上沒有阻礙，使晶體沿 不同晶面的生長速率出現(xiàn)差異，導致Cu2O晶體的生長具有擇優(yōu)趨向，形成特殊的 形貌;乳酸電解液環(huán)境中制備的八面體及針狀結(jié)構(gòu)均分為上下兩層 ,下層由 CuO 納米顆粒緊密聚集排列在一起 , 與 ITO 導電玻璃緊緊相連 , 上層則為八面體狀或 海膽狀(微米球體表面附著針狀凸起 )結(jié)構(gòu)組成。其中針狀結(jié)構(gòu)主要受乳酸的影響 因乳酸分子間脫水縮合形成的某種聚合物 (酸酐和交酯 )很可能吸附在電沉積產(chǎn) 物Cu2O的表面以針狀凸起的形式存在；銨根電解液環(huán)境中制備的束狀交聯(lián)、纖維 狀和花球狀CuO納米結(jié)構(gòu)主要受到NH4+ 勺影響,其易與Cu2+形成銅氨絡合物 (Cu(NH3)42+), 從而改變電化學沉積反應過程。經(jīng)定向附著和 Ostwald 熟化過程 后,晶體以交聯(lián)的方式結(jié)合在一起,形成交錯或花狀的Cu2O納米結(jié)構(gòu)第五，在納米Cu O的光催化反應中,一方面,在CuO表面被捕獲的e-會與吸附在其表面的氧分子反應生成負氧離子（ O2-）, 02-接著與水或其它物質(zhì)反應 形成H02和H2O2這些生成的活性物質(zhì)再與水和氧反應，經(jīng)過一系列中間產(chǎn)物后 最終形成羥基自由基（0H）同時,這些活性物質(zhì)還會和體系中的有機物發(fā)生反 應 , 生成各種活性氧自由基