化学与化学生活

氧化铜纳米粉光催化性能研究

王立冬

(班级：2012级数财学院金融数学一班 学号：201202034048)

摘 要 以Cu(NO3)2·3H2O和浓氨水为原料，通过化学水浴法合成纳米CuO，并通过扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射（XRD）对其进行表征，以甲基橙溶液模拟染料废水，CuO为催化剂， 考察了CuO投加量、甲基橙初始浓度、光照时间、溶液pH值、H2O2用量、不同光源及重复利用次数对甲基橙光催化降解效率的影响。实验结果表明：在紫外灯下，CuO 最佳的投加质量浓度为5g/L；光催化反应4 h后，甲基橙的降解率可达93％ ；中性和碱性条件有助于甲基橙的去除；TiO2光催化剂在重复使用4次之后仍能保持较高的催化活性，甲基橙的降解率为92％。

关键词：CuO； 化学水浴法； 光催化； 甲基橙

1. 前言

纳米氧化铜粉末的表面效应使其具有具有比表面积大、反应活性高、选择性强等特点，氧化铜应用广泛，现已应用到涂料、玻璃、陶瓷、塑料、农业以及工业催化等方面。由于CuO的禁带宽度仅为1.7eV,导带能级更负，理论上可有效分离空穴电子对，可提高光催化量子产

[3,5 ]

率．光催化处理废水因其具有工艺简单、能耗低和效率高等特点而受到关注，目前，用CuO光催化剂进行有色废水脱色处理的研究已有报道，例如模拟太阳光辐射氧化铜纳米材料光催化降解有机染料罗丹明 B等，这种纳米材料将在多个领域体现出重要的应用潜力。本研究利用化

[6]

学浴法制备的CuO纳米粉为光催化剂，采用紫外、模拟太阳光或可见光源，对甲基橙等有机物进行光催化降解实验研究。

[ 1,2 ]

2. 实验部分

2.1主要试剂及仪器 2.1.1 主要试剂

硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O、A.R.、天津市光复科技发展有限公司）、浓氨水（NH3、A.R.、中国宿州化学试剂有限公司、氢氧化钠（NaOH、A.R.、汕头市西陇化工厂有限公司）、过氧化氢（H2O2、AR）国药集团化学试剂有限公司、氢氟酸（HF、A.R.、汕头市西陇化工厂有限公司）等。实验用水均为去离子水。 2.1.2 仪器

HH-2数显恒温水浴锅（上海常思）、FA1104电子天平、721型分光光度计上海精密科学仪器制造有限公司、HY-4调速多用振荡器江苏省金华市荣华仪器制造有限公司、日光灯30W、紫外灯70W、模拟太阳光灯100W、

2.2 CuO的制备

取10.00ml 1.0mol/l放于50ml烧杯中稀释至约40ml，在磁力搅拌下加如3.30ml氨水，得到深蓝色溶液，再加去离子水至50ml,在烧杯口盖上培养皿，络合20min,放入70℃水浴锅中。一小时后拿出自然冷却，最后将上层清液倾倒掉，用去离子水淋洗5遍，每次约25 mL去离子水淋洗后，静置使沉淀在杯底，倾去上层水分，放入烘箱中100℃烘2h，得到黑色CuO颗粒。 2.3实验方法

反应器为250ml烧杯将烧杯置于调速振荡器上，在光源照射下，每隔30min取上清液过滤，取过滤得清液进行测定。

2.4降解率的测定

用721可见光分光光度计测定亚甲基橙浓度。首先在可见区对样品测吸光度，发现目标物

甲基橙在470nm处有最大的特征吸收峰，将处理后的甲基橙溶液，取上层清液用分光光度计测定其吸光度。并根据下式计算甲基橙溶液的降解率：

降解率=（A0-A1）÷A0×100%

式中：A0、A1甲基橙最大吸收波处的吸光度值。

3. 结果与讨论

3.1产物的表征

利用化学水浴法所制得的样品为黑色颗粒， 其XRD图谱和SEM图谱分别如图1、图2所示

图1 图2

由图1可知，2 值从3O°到50°之间出现了3个衍射峰，分别位于36．75。、42．55。和61．80。

处，与国际标准卡片比较，确定所制备的样品是纯Cu0，没有出现CuO和Cu的衍射峰，产物结晶度较好。

图1 纳米Cu0的XRD图谱

Fig．1 XRD result of nano-CuO

图2 纳米Cu0的SEM 照片 Fig．2 SEM result of nano—Cu0

由图2可知CuO为不规则的片状。长度约几百纳米为，厚度约为几十纳米。 无秩序的堆积在一起，因此比表面积比较大，有利于光催化。

3.2CuO对甲基橙降解的催化作用 3.2.1CuO对甲基橙降解的催化作用

在6个250ml的烧杯中，分别加入50ml浓度为5mg/L的甲基橙溶液，4.0g CuO 催化剂，以及0～20m1的 3％的H2O2 ．将上述溶液在日光灯照射下进行光化学反应，取光照30，60，90和120min时的样品测定吸光度，结果见图3．

80甲基橙70降解率/`50403005101520pH

图3 H2O2用量对甲基橙降解效果的影响

从图3可以看出：在加入H2O2形成的CuO光催化系统中，甲基橙的脱色转化效果随着光

催化反应时间的增加而提高，2h光催化脱色转化率高达90％；但过多或过少地加入H2O2 ，都会使甲基橙的脱色效率降低，当H2O2的加入量为150ml/L时，脱色效果最好．由于H20 2具有生成

，

羟基自由基和捕获光电子[78] 的双重性质，因此，在光催化系统中应适当控制H202 的加入量．

3.2.2溶液pH值的影响

在7个250ml烧杯中加入50ml浓度为5mg/L的甲基橙溶液和l5ml 3％H202 ,分别用盐酸或氢氧

化钠调节反应液的pH值．在日光灯光照(2h)条件下，定时取样测定，结果见图4．

甲基橙45降解率/@353025789101112pH

图4 H2O2用量对甲基橙降解效果的影响

从图4可以看出，在CuO和H202光催化系统中，甲基橙基的降解效果强烈依赖反应介质的pH

值， 随着pH值的增加降解率先减小后增加。即强碱性、中性等极端条件下降解效果较好。

3.2.3CuO 催化剂用量的影响

在7个250ml烧杯中加入50ml浓度为5mg/L的甲基橙溶液和l5ml 3％H202 ，调节溶液pH=7，

然后加入0-6.0g催化剂．uV光照2h，定时取样测定，结果见图5．

100 甲基橙80降解率/`402000.00.10.20.30.40.50.60.7氧化铜用量/g

图5 氧化铜用量对甲基橙降解效果的影响

由图5可知，当催化剂用量≤5g/L时，亚甲基蓝的降解效率随着催化剂用量的增加而提高；

当催化剂用量> 5g/lL时，降解效率反而随着催化剂用量的增加而下降．这可能是由于在两相催

化反应体系中，溶液的透光度随着催化剂用量的增加而降低．此时，催化剂导致的光散射[9 ] 使得光的有效利用率下降，降解效降果降低

3.2.4不同光源对CuO催化剂降解效果的影响

在3烧杯中加入50ml浓度为5mg/L的甲基橙溶液和l5ml 3％H202 ，调节pH=7，然后加入5.0g 催化剂．分别在紫外、日光及模拟太阳光下光照2h，定时取样测定，结果见图6

10080降解率/`40模拟太阳光紫外光 日光灯 200020406080100120时间/min

图6 不同光源对甲基橙降解效果的影响

由图6可知在紫外光下降解效率最高，紫外光下降解效果最好，半小时即达到89.97，两小时

达到92.25。其次是模拟太阳光，日光灯降解效果最差。

3.2.5催化剂重复使用对降解率的影响

第1次反应结束后，将反应液倒掉，洗涤烘干，重新加入50ml质量浓度为5mg／L的甲基橙

溶液，在紫外光照射的实验条件下，加入15 ml的H202，同样每30min取样1次， 所得验数据以时间对降解率作图,

10080降解率/`40 第1次 第2次 第3次 第4次200020406080100120时间/min

图7 催化剂重复使用对甲基橙降解效果的影响

如图7所示．知Cu0对亚甲基橙有很好的催化降解作用．随着重复使用次数的增加，降解率变化不大，重复使用4次后，降解率仍能达到92%

3.2.6不同降解时间溶液的紫外扫描

在5个烧杯中加入50ml浓度为5m0g/L的甲基橙溶液和l5ml 3％H202 ，调节pH=7，然后加入0.5g 催化剂．分别在紫外灯下光照0min、15min、30min、45min、60min，时取样在用紫外扫描，结果如图3.16所示

0.350.300.250.200.150.100.050.00300400500600降解0min降解15min 降解30min 降解45min 降解60min吸光度/A700800λ/nm 图8 不同降解时间溶液的紫外扫描

由图8可知随着降解时间增加，甲基橙浓度减小，到30min时基本降解完全。 3 结论

（1）以Cu(NO3)2为反应物、氨水作为络合剂时，在70℃水浴1h，制的比表面积较大适合光催化的氧化铜粉。该方法反应条件温和，制备工艺简单，容易操作。

（2）以所制纳米CuO为催化剂，甲基橙为目标降解有机污染物，得到最佳催化条件：在紫外灯下，CuO用量5g/L，H202用量150 ml/L(质量分数为3％)，降解60min后降解率达到93％以上。所制CuO具有很高的重复使用性，重复使用4次后，降解率仍能达到90％以上。 参考文献

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