铜包覆二氧化硅核壳型催化剂的制备及其光催化性能研究
核壳结构微球是一种具有特殊结构和性能的新型复合功能材料。它是由一种纳米材料通过物理或化学作用力将另一种微/纳米材料包覆起来而形成的一种高层次的复合结构材料。由于这种特殊结构可以集两种或多种材料的优点于一体,因而它可作为功能材料并被应用于不同领域。 SiO2@Cu核壳结构微球表面包覆的是C u纳米颗粒膜。C u纳米材料的电、磁、光、力学、热力学和化学性能等异于传统块体材料,表现出许多独特的性质。因此可用于制作导电材料、催化剂、抗菌剂和高级润滑油添加剂等,并在能源、电子信息、化工催化、生物医疗、光子晶体、超疏水涂层、国防和军工等诸多领域有着广泛的应用前景。同时对于节能、环保也具有重要意义。 但是与Au、Ag相比较而言,纳米C u的化学性质相对更加活泼。一旦暴露在空气中非常容易被氧化,因此在应用过程中存在着诸如稳定性和分散性差等问题。SiO2@Cu作为一种典型的无机核-无机壳型核壳结构复合材料,它具有分散性好、稳定性好、催化活性高、可回收重复再利用和成本低等优点。但是,在目前的实际应用中,SiO2@Cu核壳型催化剂仍存在结构不稳定和催化效率低等缺陷。因此,科研工作者正努力研究,试图可以通过多种途径来提高核壳型催化剂的催化性能。其中,优化制备工艺是最行之有效的方法。 非均相沉淀法作为制备核壳结构复合材料最常用的一种手段,它对实验设备的要求较低,同时制备的样品也无需热处理,因而可作为一种简单可行的工艺方法。同时,有关非均相沉淀法制备核壳结构复合材料和其催化机理研究的论著还很少,对核壳结构的形成机理、形貌和性能与制备工艺之间的关系、实际应用等具有指导意义的规律研究还不够。因而,本文采用非均相沉淀法制备SiO2@Cu核壳型催化剂。 本文以五水硫酸铜、氢氧化钠和葡萄糖为原料,先制得了原料氧化亚铜,之后采用自制二氧化硅微球作为载体,利用非均相沉淀法在其表面包覆铜纳米颗粒层来制备 SiO2@Cu核壳型催化剂。制备的样品通过 X射线衍射分析仪(X-ray diffraction,简称XRD)进行物相、结构和纯度分析,扫描电子显微镜(SEM)以及能谱分析仪( EDS)进行形貌、粒径和元素组成表征,红外光谱(FT-IR)进行内部结构分析,荧光光谱进行Cu及其氧化物的种类分析,紫外-可见(UV-vis)吸收来测定SiO2@Cu核壳型催化剂的光催化性能。 通过改变pH值、SiO2/Cu2O的质量比、水浴温度、聚乙二醇(PEG)添加量等参数来研究SiO2@Cu核壳型催化剂的结构和性能。并通过此催化剂对甲基橙(MO)溶液的光催化降解行为评价其催化性能。探讨了制备分散性好、粒径均一、催化性能优异的SiO2@Cu核壳型催化剂的优选工艺参数。此外,还研究了催化剂和紫外光因素对甲基紫和亚甲基蓝溶液光催化降解行为的影响;探究了核壳结构的形成机理;确定了易于推广应用的SiO2@Cu核壳型催化剂的优选制备工艺。 单因素实验结果表明,制备分散性良好、铜负载量适当、催化性能优良的SiO2@Cu核壳型催化剂粉体的单因素控制优选工艺为:pH值在小于2或大于3的范围、SiO2/Cu2O质量比为1:6、水浴温度为50℃、聚乙二醇(PEG)的添加量为1.0 mL。并且它对甲基橙、甲基紫和亚甲基蓝溶液都有较好的光催化降解效果。此外,催化剂和紫外光对于有机染料的光催化降解行为具有协同效应。SiO2@Cu核壳型催化剂的形成是吸附层媒介作用机理、库仑静电引力作用机理和化学键作用机理共同作用的效果。
铜纳米颗粒;二氧化硅核壳;催化剂;光催化性能;非均相沉淀法
中国海洋大学
硕士
材料工程
苏革
2014
中文
O643.36
74
2015-04-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）