累托石/氧化亚铜纳米复合材料的制备及性能研究

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在全球环境污染和能源危机日趋严重的今天,如何有效利用太阳能来治理污染已引起世界各国的广泛重视。近年来,制备与应用具有高量子效率、能充分利用太阳能的高活性光催化剂,已成为光催化领域广泛关注和研究的热点课题。半导体光催化氧化技术是高级氧化技术的一种,它可利用光生强氧化剂将有机污染物彻底氧化为H2O、CO2等小分子,与其他传统的水处理技术相比具有降解完全、高效、价廉、稳定和适用范围广等优点,而且有望利用太阳光,因而越来越受到人们的重视。纳米二氧化钛(TiO2)是目前得到广泛关注的半导体光催化氧化剂,但太阳能利用率低制约着它的发展。纳米氧化亚铜(Cu2O)是一种具有窄禁带宽度(Eg=2.02.2eV)的p-型半导体材料,能够直接吸收利用可见光,对太阳光具有较强的吸收效率。作为极具应用潜力的半导体光催化剂之一,纳米Cu2O已逐渐成为人们关注的焦点。然而纳米尺寸的光催化剂虽有着较强的光催化活性,但在实际使用时,纳米粉体在悬浮体系中存在易团聚和反应后难回收的弊病。因此,光催化剂的负载化对光催化技术的实用化非常重要。合适的载体材料可以增加反应的有效比表面积、提供适合的孔结构、提高催化剂的机械强度、热稳定性和抗毒性能,并降低催化氧化剂的生产成本。试验研究采用水解法制备了纳米Cu2O,利用累托石作载体,成功地合成了累托石-Cu2O纳米复合光催化材料,较好地解决了Cu2O光催化氧化技术存在的弊端。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)等测试手段对纳米Cu2O和累托石-Cu2O纳米复合光催化材料的结构进行了表征与分析,并将其用于二甲酚橙和亚甲基蓝等模拟染料废水的脱色处理及卷烟厂实际废水的处理,评价累托石-Cu2O纳米复合材料的光催化氧化性能。研究结果表明,自制的累托石/Cu2O纳米复合光催化氧化材料不仅可以解决传统悬浮体系中纳米材料的易团聚和难回收问题,还能结合累托石与Cu2O各自的优异性能而可能产生协同效应,提高光催化氧化活性,同时也能克服目前光催化氧化材料用于废水处理过程中需要紫外活化的弊端,为实现纳米半导体光催化氧化技术工业化的可能性提供了科学依据,具有良好的应用前景。本试验研究的创新点:(1)首次制备了累托石-Cu2O复合光催化氧化材料,并对其可见光催化氧化性能进行了系统地研究;(2)首次提出以半导体光催化剂和粘土矿物构建固定化的Fenton体系;突破了传统意义上半导体光催化剂的应用瓶颈,有效控制了纳米Cu2O的粒度,从而降低了电子-空穴的复合率,提高了光催化降解效率;克服了悬浮相Cu2O用于废水处理过程中难以回收再利用的弊端,为实现纳米半导体光催化技术工业化的可能性提供了依据。
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