DMF体系中Cu2O球晶的制备及形貌分析

以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,通过改变铜源和表面活性剂,调控反应参数,溶剂热条件下制备了三维十字形、空心及实心的Cu₂O球晶。利用XRD、SEM等表征手段,分析探讨了工艺条件变化对Cu₂O球晶形貌的影响。研究表明,随着DMF浓度的增大,体系的还原能力增强,Cu⁺增多,溶液的过饱和度增大,Cu₂O晶体集合体形态由晶体结构控制的各向异性与对称性的球晶逐渐向各向同性球晶演变。十二烷基硫酸钠(SDS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等表面活性剂有助于降低溶液的过饱和度,增加结晶质的表面扩散能力,有利于规则形态Cu₂O晶粒的形成。反应体系中,Cu(Ac)₂·H₂O水解生成的羧基与DMF中的甲酰基在高温下发生脱羧反应产生CO₂气体以及SDS发泡作用产生的气体是形成空心Cu₂O球晶的重要原因。     

在光催化还原CO2中具有高催化效率的八面体Cu2O修饰的TiO2纳米管

光催化还原CO2生成烃类燃料是一种可同时解决全球变暖和能源危机问题的最有效途径之一。尽管这方面的研究已经取得了一定的进展,但是整体的光催化转换效率还非常低。因此,需要发展更加高效的催化剂。由于半导体材料禁带宽度与太阳光谱相匹配,人们已经对其进行了广泛研究。其中TiO2因具有无毒、强氧化性以及良好的光学和电学性质等而成为最主要的研究对象。但是对于光催化还原CO2反应来说, TiO2仍存在很多不足,如只能吸收太阳光谱中的紫外光,光生载流子会快速结合,以及光生空穴的强氧化能力等,这些都限制了其光催化还原CO2的效率。采用窄禁带宽度半导体修饰TiO2是解决上述不足的有效途径之一。本文采用简单的电化学方法成功制备了一种由窄禁带半导体Cu2O修饰的TiO2纳米管(TNTs)的复合物,并运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)表征了所制备复合物的形貌、化学组成和结晶度。表征结果显示,所制备的TiO2为整齐排列的纳米管阵列结构;复合物中的纳米颗粒为Cu2O;当电化学沉积Cu2O的时间为5 min时,得到的Cu2O纳米颗粒初步呈类八面体结构。随着沉积时间的增加, Cu2O颗粒尺寸增加,具有八面体结构。 XRD和XPS结果表明, TiO2纳米管为锐钛矿,八面体Cu2O纳米颗粒的主要暴露晶面为(111)面。我们还进一步研究了不同量Cu2O纳米颗粒修饰的TiO2纳米管复合物在可见光以及模拟太阳光下光催化还原CO2的能力。在可见光下,由于自身的禁带宽度,纯净的TiO2纳米管没有任何光催化还原CO2的能力;经过Cu2O纳米颗粒的修饰,复合物显现出明显的光催化还原CO2的能力,其中经过30 min Cu2O沉积的TNTs具有最高的光催化效率。在模拟太阳光下,经过15 min Cu2O沉积的TNTs具有最高的光催化效率。在所有光催化还原CO2过程中,主要碳氢产物为甲烷。为了深入地理解该复合体系在还原CO2中的高催化效率,我们对催化剂进行了进一步的表征。紫外-可见漫反射光谱表明, Cu2O八面体纳米颗粒的沉积将TNTs的吸收光谱拓展到了可见光区域,提高了复合物对太阳光的吸收能力。此外,我们还通过测试所制样品的光电流反应、荧光发射光谱以及电化学阻抗谱,研究了催化剂中光生电子和空穴的分离和迁移能力。结果表明,适量的Cu2O沉积提高了复合物对光的吸收能力,增加了光生载流子的数量,从而使更多的光生载流子参与光催化反应。综上,本文首次报道了八面体Cu2O纳米颗粒修饰TNTs复合物的光催化还原CO2的能力。在一定量的Cu2O纳米颗粒修饰下,该复合物在光催化还原CO2生成烃类反应中表现出高效性。经过一系列详细的表征和讨论,我们认为其高效性主要源于三个方面：(1) TNTs的管状结构为反应物的吸附提供了大量的活性位点,同时一维的管状结构更有利于光生载流子的运载,从而提高了电子和空穴的分离;(2) Cu2O纳米颗粒的修饰提高了催化剂对光的吸收,促进催化剂最大程度地利用太阳光;(3) TiO2和Cu2O之间导带以及价带位置的匹配,在减少光生载流子复合的同时也降低了TiO2价带上空穴的氧化能力,从而抑制了CO2还原产物的再氧化过程。     

以SDS-PVP项链状软团簇为模板简易一锅法合成Cu2O中空亚微球

在SDS-PVP水溶液中采用N2H4•H2O还原CuSO4, 在pH (10±0.5), (40±1.0) ℃条件下反应55 min得到橙色Cu2O溶胶, 离心分离产物经XRD鉴定为Cu2O立方晶系晶体; SEM和TEM表明该法获得的晶体为形状规整、粒径分布窄的Cu2O中空亚微球, 并证实系由大量10 nm量级的原级Cu2O纳米晶粒组装而成. 根据实验事实推断, SDS-PVP项链状软团簇提供了“双重软模板”功能, 借助独特的“模板诱导两级组装”作用一锅法合成了Cu2O中空亚微球. Cu2O中空亚微球生长的可能途径为: 首先, 项链状软团簇中的SDS束缚胶束作为第一重软模板, 诱导一级组装10 nm量级的原级Cu2O纳米晶粒; 然后, 软团簇中立体桥联SDS束缚胶束的PVP链节作为第二重软模板, 诱导一定空间范围内的原级Cu2O纳米晶粒长大并进一步聚集/二级组装, 经一锅法合成得到次级Cu2O中空亚微球. 实验结果证明该一锅法温和、简便、快捷, Cu2O中空亚微球的粒径分布窄.     

在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu2O/g-C3N4异质结膜

近几十年来,光电化学分解水制氢作为一种洁净的、能持续利用太阳能的技术受到极大关注.在众多光催化材料中,p型半导体氧化亚铜(Cu2O)被认为是最有前途的可见光光电分解水材料之一.理论上,它的光能转换为氢能的效率可达到18.7%.然而,目前所报道的Cu2O光转换效率远远低于此值;同时,纯Cu2O在光照条件下的稳定性较差.研究表明,Cu2O与其它半导体复合可以增强其光电转换效率和提高稳定性.如Cu2O和能带匹配的石墨相氮化碳(g-C3N4)复合后,光催化性能和稳定性都有较大提高.但目前所报道的Cu2O/g-C3N4复合物几乎都是粉末状催化剂,不便于回收和重复使用.本文首先采用电化学方法在FTO导电玻璃上沉积Cu2O薄膜,采用溶胶凝胶法制备g-C3N4纳米颗粒材料,然后采用电化学法在Cu2O薄膜表面沉积一层g-C3N4纳米颗粒,得到了Cu2O/g-C3N4异质结膜.分别利用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)和光电化学分解水实验分析了Cu2O/g-C3N4异质结的组成结构、表面形貌、光吸收性能及催化剂活性和稳定性.XRD和HRTEM表征显示,本文成功合成了Cu2O/g-C3N4异质结材料,SEM图表明g-C3N4纳米颗粒在Cu2O表面分布均匀,大小均一.可见光光电化学分解水结果显示,异质结薄膜的光电化学性能比纯的Cu2O和g-C3N4薄膜材料有极大提高.当在Cu2O表面沉积g-C3N4的时间为15 s时,得到样品Cu2O/g-C3N4-15异质结膜,其在–0.4 V和可见光照射条件下,光电流密度达到了–1.38 mA/cm2,分别是纯Cu2O和g-C3N4薄膜材料的19.7和6.3倍.产氢速率也达到了0.48 mL h–1 cm–2,且产氢和产氧的速率之比约为2,说明此异质结材料在可见光作用下能全分解水.经过三次循环实验,光电化学分解水的效率仅降低10.8%,表明该材料具有良好的稳定性.根据UV-Vis表征和光电化学性能对比,Cu2O/g-C3N4-15的光电性能最好,但其光吸收性能并不是最好,说明光电化学性能与光吸收不是成正比关系,主要是由于Cu2O和g-C3N4两个半导体相互起到了协同作用.机理分析表明,Cu2O/g-C3N4异质结薄膜在光照下,由于两者能带匹配,Cu2O的光生电子从其导带转移到g-C3N4的导带上,g-C3N4价带上的空隙转移到Cu2O的价带上,从而降低了光生电子和空隙的复合,提高了其光催化性能.由于g-C3N4的导带位置高于H2O(或H+)还原为H2的电势,Cu2O的价带位置低于H2O(或OH–)还原为O2的电势,所以在外加–0.4 V偏压和可见光照射条件下,Cu2O/g-C3N4能全分解水,光生载流子越多,光电化学分解水的速率越大.综上所述,在Cu2O薄膜上沉积g-C3N4后得到的异质结薄膜具有高效的光能转换为氢能性能.     

高分子模板调控不同形貌氧化亚铜的仿生合成

采用聚丙烯酰胺(PAM)为软模板,在CuSO4、Na2SO3体系中调控合成了片状、海胆状、一维线、针状聚集体氧化亚铜晶体。研究了不同浓度Cu2+、不同PAM含量及不同温度对晶体生长的影响。结果表明,PAM促使氧化亚铜异相成核,氧化亚铜形貌随PAM质量分数的变化而变化:当c(Cu2+)=0.5mol.L-1时,PAM质量分数为3.0%(常温引入体系),产物主要为片状晶体;PAM质量分数为1.0%、3.0%时(高温引入体系),分别获得一维线状、海胆状晶体;当Cu2+浓度为0.1 mol.L-1时,体系中高温引入质量分数3.0%的PAM,得到片层状晶体;当Cu2+浓度为0.3、0.4 mol.L-1时,得到针状聚集体氧化亚铜晶体。分别用X射线粉末衍射、冷场发射扫描电子显微镜和激光粒度仪对所制备的产品进行了表征。     

氧化亚铜微/纳米结构的形貌可控制备及光催化和防污性能

利用简便易行的液相法,采用葡萄糖为还原剂,通过调整加料方式、反应温度、NaOH用量等条件,实现具有{110}截面八面体、八面体和短足形等形貌的Cu₂O微/纳米结构的可控制备,运用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、紫外可见分光光度计等对产物进行组成、结构、形貌和光响应的表征,对Cu₂O的形貌结构和生长机理进行研究。对比和优化了具有不同形貌的Cu₂O微/纳米结构对甲基橙染料的光催化性能。将不同形貌的微/纳米Cu₂O作为防污剂复配的自抛光防污涂料,涂层磨蚀率、接触角与实海挂板实验证明该涂料具有良好的防污性能。     

苯并三氮唑及其羧酸酯衍生物对铜缓蚀机理的分子动力学模拟研究

用分子动力学(MD)方法, 模拟计算了5种铜缓蚀剂[苯并三氮唑(BTA)、苯并三氮唑-5-羧酸甲酯(MBTC)、苯并三氮唑-5-羧酸丁酯(BBTC)、苯并三氮唑-5-羧酸己酯(HBTC)、苯并三氮唑-5-羧酸辛酯(OBTC)]与Cu₂O晶体的相互作用. 结果发现, 中性条件下缓蚀剂分子与Cu₂O晶体的结合能均大于酸性条件下的数值, 但两种条件下结合能的大小排序均为OBTC＞HBTC＞BBTC＞MBTC＞BTA. 对体系各种相互作用以及对关联函数g(r)的分析表明, 体系结合能主要由库仑作用提供, Cu₂O晶体中的Cu原子与缓蚀剂分子中的N原子之间形成了配位键. 在与Cu₂O(001)晶面结合过程中, BTA及其衍生物分子发生了扭曲变形, 但形变能远小于体系的非键相互作用能.     

纳米氧化亚铜固载亚甲兰复合膜修饰玻碳电极的电化学性质及其对多巴胺的电催化

用十六烷基三甲基溴化铵为软模板制备了纳米氧化亚铜晶须,利用XRD和TEM进行表征。研究了纳米Cu2O-Nafion膜修饰玻碳电极的电化学性质,结果表明,纳米氧化亚铜在电极上表现出一对较为可逆的氧化还原峰,对应于Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)的氧化还原,峰电流与扫速成正比,表明纳米氧化亚铜在电极表面的电化学受表面控制。研究发现在亚甲基兰为媒介的情况下电极对多巴胺的催化能力进一步提高。在此电极上多巴胺呈现一对响应良好的准可逆氧化还原峰,峰电位差106 mV,峰电流大大提高,氧化峰电位大大降低,表现出良好的电催化作用。该电极可以在抗坏血酸存在下测定多巴胺。     

导电聚苯胺/TiO_2微/纳米球的制备及其结构表征

采用具有八面体形貌的氧化亚铜为模板,制备了聚苯胺/TiO2(PANI/TiO2)微/纳米球,TiO2纳米粒子很均匀地分散在聚苯胺中.研究了不同TiO2/苯胺(TiO2/ANI)摩尔比对PANI/TiO2复合物的结构、形貌和电学性能的影响.实验结果表明,随着TiO2/ANI摩尔比的增加,PANI/TiO2复合物的直径逐渐减小,当TiO2/ANI摩尔比为0.16时,复合物的平均直径为373nm,而当TiO2/ANI摩尔比增加到1.6时,复合物的平均直径降到80nm.PANI/TiO2复合微/纳米球的电导率随着TiO2/ANI摩尔比的增加先升高后降低,当TiO2/ANI摩尔比达到1.6时,电导率由10-4S/cm提高到100S/cm,达到最大值.产物的形貌和结构分别采用扫描电镜、透射电镜、红外吸收光谱和X-射线衍射等手段进行了表征.     

氧化亚铜纳米微粒与金黄色葡萄球菌的相互作用

在十六烷基三甲基溴化胺（CTAB）保护下制得30—50nm的氧化亚铜（Cu2O）微粒,在此基础上以常见的致病菌金黄色葡萄球菌（S．a）为模型研究了Cu2O纳米微粒对细菌的毒副作用．通过测定Cu2O纳米微粒对S．a的最小抑菌浓度（MIC）,用流式细胞术（FCM）研究其对金黄色葡萄球菌形态的改变及杀菌作用,并通过暗场显微成像和扫描电镜图对照揭示了氧化亚铜纳米微粒抑菌杀菌的可能机理．结果表明,Cu2O纳米微粒通过吸附在金黄色葡萄球菌表面破坏细胞壁致使细胞结构发生严重变化,从而影响其形态与功能,再进一步损伤膜结构导致通透性的改变从而达到抑菌杀菌的作用．