化學及化學生活

1、 氧化銅納米粉光催化性能研究 王立冬 (班級：2012級數(shù)財學院金融數(shù)學一班 學號：201202034048) 摘 要 以Cu(NO3)23H2O和濃氨水為原料，通過化學水浴法合成納米CuO，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線衍射（XRD）對其進行表征，以甲基橙溶液模擬染料廢水，CuO為催化劑， 考察了CuO投加量、甲基橙初始濃度、光照時間、溶液pH值、H2O2用量、不同光源及重復利用次數(shù)對甲基橙光催化降解效率的影響。實驗結(jié)果表明：在紫外燈下，CuO 最佳的投加質(zhì)量濃度為5g/L；光催化反應(yīng)4 h后，甲基橙的降解率可達93 ；中性和堿性條件有助于甲基橙的去除；TiO2光催化劑在重復使用4次

2、之后仍能保持較高的催化活性，甲基橙的降解率為92。關(guān)鍵詞：CuO； 化學水浴法； 光催化； 甲基橙 1. 前言納米氧化銅粉末的表面效應(yīng)使其具有具有比表面積大、反應(yīng)活性高、選擇性強等特點 1,2 ，氧化銅應(yīng)用廣泛，現(xiàn)已應(yīng)用到涂料、玻璃、陶瓷、塑料、農(nóng)業(yè)以及工業(yè)催化等方面。由于CuO的禁帶寬度僅為1.7eV,導帶能級更負，理論上可有效分離空穴電子對，可提高光催化量子產(chǎn)率光催化處理廢水因其具有工藝簡單、能耗低和效率高等特點而受到關(guān)注3,5 ，目前，用CuO光催化劑進行有色廢水脫色處理的研究已有報道，例如模擬太陽光輻射氧化銅納米材料光催化降解有機染料羅丹明 B等，這種納米材料將在多個領(lǐng)域體現(xiàn)出重要的應(yīng)

3、用潛力。本研究利用化學浴法6制備的CuO納米粉為光催化劑，采用紫外、模擬太陽光或可見光源，對甲基橙等有機物進行光催化降解實驗研究。2. 實驗部分2.1主要試劑及儀器2.1.1 主要試劑硝酸銅（Cu(NO3)23H2O、A.R.、天津市光復科技發(fā)展有限公司）、濃氨水（NH3、A.R.、中國宿州化學試劑有限公司、氫氧化鈉（NaOH、A.R.、汕頭市西隴化工廠有限公司）、過氧化氫（H2O2、AR）國藥集團化學試劑有限公司、氫氟酸（HF、A.R.、汕頭市西隴化工廠有限公司）等。實驗用水均為去離子水。2.1.2 儀器HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋（上海常思）、FA1104電子天平、721型分光光度計上海精密科學

4、儀器制造有限公司、HY-4調(diào)速多用振蕩器江蘇省金華市榮華儀器制造有限公司、日光燈30W、紫外燈70W、模擬太陽光燈100W、2.2 CuO的制備 取10.00ml 1.0mol/l放于50ml燒杯中稀釋至約40ml，在磁力攪拌下加如3.30ml氨水，得到深藍色溶液，再加去離子水至50ml,在燒杯口蓋上培養(yǎng)皿，絡(luò)合20min,放入70水浴鍋中。一小時后拿出自然冷卻，最后將上層清液傾倒掉，用去離子水淋洗5遍，每次約25 mL去離子水淋洗后，靜置使沉淀在杯底，傾去上層水分，放入烘箱中100烘2h，得到黑色CuO顆粒。2.3實驗方法 反應(yīng)器為250ml燒杯將燒杯置于調(diào)速振蕩器上，在光源照射下，每隔30

5、min取上清液過濾，取過濾得清液進行測定。2.4降解率的測定 用721可見光分光光度計測定亞甲基橙濃度。首先在可見區(qū)對樣品測吸光度，發(fā)現(xiàn)目標物甲基橙在470nm處有最大的特征吸收峰，將處理后的甲基橙溶液，取上層清液用分光光度計測定其吸光度。并根據(jù)下式計算甲基橙溶液的降解率：降解率=（A0-A1）A0100%式中：A0、A1甲基橙最大吸收波處的吸光度值。3. 結(jié)果與討論3.1產(chǎn)物的表征利用化學水浴法所制得的樣品為黑色顆粒， 其XRD圖譜和SEM圖譜分別如圖1、圖2所示 圖1 圖2 由圖1可知，2 值從3O到50之間出現(xiàn)了3個衍射峰，分別位于3675。、4255。和6180。處，與國際標準卡片比較

6、，確定所制備的樣品是純Cu0，沒有出現(xiàn)CuO和Cu的衍射峰，產(chǎn)物結(jié)晶度較好。 圖1 納米Cu0的XRD圖譜Fig1 XRD result of nano-CuO 圖2 納米Cu0的SEM 照片F(xiàn)ig2 SEM result of nanoCu0由圖2可知CuO為不規(guī)則的片狀。長度約幾百納米為，厚度約為幾十納米。 無秩序的堆積在一起，因此比表面積比較大，有利于光催化。3.2CuO對甲基橙降解的催化作用CuO對甲基橙降解的催化作用在6個250ml的燒杯中，分別加入50ml濃度為5mg/L的甲基橙溶液，4.0g CuO 催化劑，以及020m1的 3的H2O2 將上述溶液在日光燈照射下進行光化學反應(yīng)，

7、取光照30，60，90和120min時的樣品測定吸光度，結(jié)果見圖3 圖3 H2O2用量對甲基橙降解效果的影響 從圖3可以看出：在加入H2O2形成的CuO光催化系統(tǒng)中，甲基橙的脫色轉(zhuǎn)化效果隨著光催化反應(yīng)時間的增加而提高，2h光催化脫色轉(zhuǎn)化率高達90；但過多或過少地加入H2O2 ，都會使甲基橙的脫色效率降低，當H2O2的加入量為150ml/L時，脫色效果最好由于H20 2具有生成羥基自由基和捕獲光電子7，8 的雙重性質(zhì)，因此，在光催化系統(tǒng)中應(yīng)適當控制H202 的加入量溶液pH值的影響 在7個250ml燒杯中加入50ml濃度為5mg/L的甲基橙溶液和l5ml 3H202 ,分別用鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)反

8、應(yīng)液的pH值在日光燈光照(2h)條件下，定時取樣測定，結(jié)果見圖4 圖4 H2O2用量對甲基橙降解效果的影響 從圖4可以看出，在CuO和H202光催化系統(tǒng)中，甲基橙基的降解效果強烈依賴反應(yīng)介質(zhì)的pH值， 隨著pH值的增加降解率先減小后增加。即強堿性、中性等極端條件下降解效果較好。CuO 催化劑用量的影響 在7個250ml燒杯中加入50ml濃度為5mg/L的甲基橙溶液和l5ml 3H202 ，調(diào)節(jié)溶液pH=7，然后加入0-6.0g催化劑uV光照2h，定時取樣測定，結(jié)果見圖5 圖5 氧化銅用量對甲基橙降解效果的影響 由圖5可知，當催化劑用量5g/L時，亞甲基藍的降解效率隨著催化劑用量的增加而提高；當

9、催化劑用量 5g/lL時，降解效率反而隨著催化劑用量的增加而下降這可能是由于在兩相催化反應(yīng)體系中，溶液的透光度隨著催化劑用量的增加而降低此時，催化劑導致的光散射9 使得光的有效利用率下降，降解效降果降低 不同光源對CuO催化劑降解效果的影響在3燒杯中加入50ml濃度為5mg/L的甲基橙溶液和l5ml 3H202 ，調(diào)節(jié)pH=7，然后加入5.0g 催化劑分別在紫外、日光及模擬太陽光下光照2h，定時取樣測定，結(jié)果見圖6 圖6 不同光源對甲基橙降解效果的影響 由圖6可知在紫外光下降解效率最高，紫外光下降解效果最好，半小時即達到89.97，兩小時達到92.25。其次是模擬太陽光，日光燈降解效果最差。催

10、化劑重復使用對降解率的影響 第1次反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液倒掉，洗滌烘干，重新加入50ml質(zhì)量濃度為5mgL的甲基橙溶液，在紫外光照射的實驗條件下，加入15 ml的H202，同樣每30min取樣1次， 所得驗數(shù)據(jù)以時間對降解率作圖, 圖7 催化劑重復使用對甲基橙降解效果的影響 如圖7所示知Cu0對亞甲基橙有很好的催化降解作用隨著重復使用次數(shù)的增加，降解率變化不大，重復使用4次后，降解率仍能達到92%3.2.6不同降解時間溶液的紫外掃描 在5個燒杯中加入50ml濃度為5m0g/L的甲基橙溶液和l5ml 3H202 ，調(diào)節(jié)pH=7，然后加入0.5g 催化劑分別在紫外燈下光照0min、15min、30m

11、in、45min、60min，時取樣在用紫外掃描，結(jié)果如圖3.16所示 圖8 不同降解時間溶液的紫外掃描 由圖8可知隨著降解時間增加，甲基橙濃度減小，到30min時基本降解完全。3 結(jié)論（1）以Cu(NO3)2為反應(yīng)物、氨水作為絡(luò)合劑時，在70水浴1h，制的比表面積較大適合光催化的氧化銅粉。該方法反應(yīng)條件溫和，制備工藝簡單，容易操作。（2）以所制納米CuO為催化劑，甲基橙為目標降解有機污染物，得到最佳催化條件：在紫外燈下，CuO用量5g/L，H202用量150 ml/L(質(zhì)量分數(shù)為3)，降解60min后降解率達到93以上。所制CuO具有很高的重復使用性，重復使用4次后，降解率仍能達到90以上。

12、參考文獻 1 馬鳳國, 等. 納米氧化鉛為燃燒催化劑的應(yīng)用研究J . 火炸藥學報, 2000, 23 (2) : 13-19 2 鄧鵬圖, 等. 超細CaCO3 與金屬氧化物對推進劑燃燒的催化協(xié)同效應(yīng)研究J . 火炸藥學報, 1997, 9(4) : 1-63 COLON G，HIDALGO M C，NAVIO J AInfluence ofearboxylie acid on the photocatalytie reduction ofCr(vi)using commereialTiO2JLangmulr，2001，17(22)：7174 -1774 張青紅，高濂，郭景坤TiO2納米晶光催

13、化降解鉻酸根離子的研究J高等學?；瘜W學報，2000，21(10)：154715515 陳小泉，古國榜，劉煥彬欽金屬有機物熱解制備TiO2-SiO2復合膜及其光催化活性研究J化學學報，2003，61(1I)：1714-17196沈浩,徐海燕,嚴輝.化學浴沉積制備無機功能薄膜材料的研究J.北京:北京工業(yè)大學材料科學與工程學院,2006. 3(1): 45-507 Fanta G F，Robert C B，Doane W M et aL，Graft Copolymers of Starch and Poly Preparation and Testing as Flocculating AgentsJApp1PolymSci,1971 15：26512660 8 張西旺，王怡