论文部分内容阅读
光催化技术因其具有反应条件温和、操作简单、可重复使用、经济高效且无二次污染等优点,成为最有潜力的废水处理技术。铜氧化物作为典型的p型半导体因其具备可见光响应能力,在光催化降解有机物、光催化还原CO2、光催化产氢等方面广受关注。然而由于在光催化过程中存在光生电子与空穴的复合和光催化稳定性差等不足,铜氧化物光催化活性低,限制了其在实际废水处理中的应用。为了提高铜氧化物的光催化活性和稳定性,本文以乙酸铜和氧化石墨烯为原料,通过调控乙酸铜浓度、氧化石墨烯添加量和反应时间等制备条件,制备出具有不同形貌和晶相的石墨烯/铜氧化物复合材料。系统研究了石墨烯/铜氧化物复合材料的光、电性能。进一步以盐酸四环素(TC)作为污染物模型,研究不同条件下制备的石墨烯/铜氧化物复合材料的光催化性能。其催化稳定性及对TC的光催化降解机理也被研究。得到下面的结果:(1)石墨烯/铜氧化物复合材料的制备与表征:采用水热合成法成功制备出由纳米晶体自组装而成的石墨烯/铜氧化物(RGO-CuxO)复合材料,包含Cu2O和CuO两相。SEM研究表明乙酸铜浓度由0.01 mol/L增加到0.1 mol/L时,堆积成的复合材料形状由类橘子瓣状经椭球状演变为球状。而GO添加量对其形貌影响不大。随着反应时间的增加,堆积晶体由针状逐渐转化为片状,但整体仍为球状。对TC的光催化性能研究发现,当乙酸铜浓度为0.1 mol/L,GO为2 wt%,反应1 h时制得的样品对盐酸四环素具有较佳的降解率,可以达到99.9%。(2)石墨烯/铜氧化物复合材料的光催化性能及其催化机理研究:优选石墨烯/铜氧化物复合材料并进行结构与性能表征。UV-vis和PL表明RGO的引入,提高了RGO-CuxO的光吸收强度和光生电子与空穴分离率,展现出更高的光催化活性。当催化剂添加量为10mg,TC浓度为30 mg/L,pH为TC原始pH值时,反应90分钟,光催化降解率已经达到99%。RGO的引入使石墨烯/铜氧化物复合材料比CuxO的稳定性要强,经过10次循环后的催化率仍达到90.7%,是CuxO的1.2倍,并且RGO-CuxO具有较宽的环境pH适用范围(pH=4.25-9)。EIS和光电流响应光谱图表明RGO-CuxO具有比CuxO更快的载流子传输效率。参与催化的活性基团有超氧自由基(.O2-)、羟基自由基(.OH)和空穴(h+),而.O2-和h+为主要活性基团。TC降解产物分析表明,降解产物为小分子的苯甲酸和CH3C(OH)C(OH)C=O(NH2)。本文成功制备了石墨烯/铜氧化物复合材料,与铜氧化物相比,RGO的引入不仅降低了光生电子与空穴的结合率,还提高了光吸收强度和光生电子传输效率,展现出较高的光催化活性,且相对于铜氧化物具有更高的稳定性,在实际水污染治理中展现出优良的应用潜能。