單質銅顆粒的制備及其光催化性能研究

劉花蓉

(四川建筑職業技術學院，四川　德陽　618000)

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單質銅顆粒的制備及其光催化性能研究

劉花蓉

(四川建筑職業技術學院，四川德陽618000)

采用化學還原法，在十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的輔助下，以氯化銅(CuCl2·2H2O)為銅源制備單質銅顆粒。利用XRD和SEM對樣品成分、形貌和結構進行了表征分析，并以甲基橙溶液的降解率來評估納米銅顆粒的光催化性能。結果表明，在未通入保護氣體的情況下，該法成功制得單質銅。所制備的單質銅粉末都具有光催化活性，且光催化能力隨CTAB加入量的增加而提高。

單質銅；CTAB；氯化銅；光催化

隨著綠色環保概念的提出，光催化材料逐漸成為研究熱點之一[1-3]。由于納米金屬粉體具有尺寸小、高催化活性等優異特性[4-7]，使其在化工催化方面應用廣泛。比如在納米金屬粉體的催化作用下，高分子聚合物氧化和還原反應反應速率得到明顯的提高。越來越多的實驗工作者制備出了Ag[8]、Cu[9]、Pt[10]和Pd[11]等金屬納米粉體。其中，金屬銅納米顆粒因具有催化性強、反應速度快而作為催化劑得到越來越多的重視。例如，在銅納米顆粒的催化作用下，氧化烴類化合物、還原氮氧化合物[12]等反應速率得到極大的提高。

近年來，多種關于銅納米的制備技術被開發出來。如真空蒸氣沉淀法[13]、化學還原法[9]等。為防止金屬納米顆粒被氧化，在這些方法的實驗過程中會通入保護氣體。在本研究中，所有實驗過程的溫度都控制在25 ℃，不需要通入保護氣體。選用十六烷基三甲基溴化銨作陽離子表面活性劑，氯化銅為銅源，水合肼為還原劑，成功制備出了單質銅顆粒。單質銅顆粒的形貌隨CTAB的改變而改變，同時也使得單質銅顆粒的光催化性能發生變化。

1　實　驗

1.1試劑與儀器

CuCl2·2H2O，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，N2H4·H2O，NH3·H2O，甲基橙，所有化學試劑均為分析純，成都市萇鉦化玻有限公司。

醫用40 W的紫外燈，Philips公司；UV-Vis2550分光光度計，Shimadzu 2550，Japan；DX-2500型X射線衍射儀，丹東浩圓儀器有限公司；Fei Quanta200環境掃描電子顯微鏡，USA；Biofuge Primo離心機，美國SORVALL。

1.2納米銅顆粒的制備

當固定銅源CuCl2·2H2O時，在25 ℃的條件下，分別配制溶液A和B。溶液A配制如下：分別將 向100 mL蒸餾水中加入0.5 g，1.5 g，2.5 g和3.5 g CTAB攪拌至CTAB完全溶解。再分別加入相同質量的CuCl2·2H2O(均為0.01 mol)，待CuCl2·2H2O完全溶解后，加入氨水調節溶液pH至10。溶液B配制如下：分別將 向100 mL蒸餾水中加入0.5 g，1.5 g，2.5 g和3.5 g CTAB攪拌至CTAB完全溶解。再分別加入相同質量的N2H4·H2O(均為15 g)，攪拌均勻。然后將溶液B加入到對應的溶液A中，磁力攪拌3 h左右。最后抽濾烘干收集樣品。

1.3光催化實驗

分別取50 mg的單質銅粉末分散于50 mL濃度為10 mg/L的甲基橙溶液中。照射前，先在黑暗條件下磁力攪拌20 min，使其充分接觸溶液并吸附。以40 W的紫外燈為光源，采用分光光度計檢測上層液體在紫外吸收光譜466 nm處的濃度。每隔20 min檢測一次，共檢測5次。

通過公式η=(1-At/A0)×100%計算甲基橙的降解率，從而評估單質銅顆粒的光催化活性。其中，A0為甲基橙的初始濃度，At為降解t min后的濃度。

2　結果與討論

2.1實驗原理

該法主要基于化學還原的原理，主要反應式如下[9]：

(1)

(2)

(3)

從以上反應式可以看出，反應過程中有N2產生，可防止Cu與氧氣反應生成銅的氧化物(CuO或Cu2O)。因此在制備單質銅的實驗過程中，不需要另外通入氮氣(N2)或其它惰性氣體作為保護氣體。

2.2樣品的結構分析

圖1是所得樣品的XRD圖譜。從圖1可知，2θ為43.4°，50.6°和74.3°分別對應于單質銅的(111)，(200)和(220)的三個晶面。制備出的4個樣品都存在這樣的三個晶面且沒有其它雜質衍射峰出現，尤其沒有出現CuO或Cu2O的特征衍射峰。說明通過化學還原法，在十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的輔助下，以氯化銅(CuCl2·2H2O)為銅源成功制備出單質銅顆粒。

圖1　單質銅顆粒樣品的XRD圖譜Fig.1　XRD patterns of the copper, respectively

2.3樣品的微觀形貌分析

圖2　100 mL蒸餾水中不同CTAB加入量所制備樣品的SEM圖Fig.2　SEM images of Cu with different content of CTAB in 100 mL distilled water

為了進一步研究該法制備的單質銅的結構，對樣品進行了SEM表征以觀察其微觀形貌。圖2分別表示100 mL蒸餾水中，CTAB的加入量依次為0.5 g，1.5 g，2.5 g和3.5 g制備的單質銅樣品放大10000倍的形貌。圖2(a)為CTAB加入量為0.5 g時制得樣品的SEM掃描結果，單質銅呈現米粒狀，長度約為0.1～0.2 μm，團聚體之間間隙較大。當CTAB加入量為1.5 g時，SEM掃描結果見圖2(b)。單質銅呈片狀連接且團聚嚴重。當CTAB加入量增加到2.5 g時，單質銅呈細條狀，分散較為均勻，如圖2(c)所示。圖2(d)顯示出CTAB加入量為3.5 g時，單質銅呈月牙狀且分散均勻，基本無團聚現象。因此，從圖2可以看出，單質銅的形貌以及團聚現象隨CTAB加入量的改變而改變。

2.4樣品的光催化性能分析

通過催化降解甲基橙溶液(MO)的實驗來研究單質銅顆粒的光催化性能。圖3是不同CTAB加入量制備樣品的降解率-時間曲線圖，其中空白實驗是僅有紫外光對甲基橙溶液的降解效率(未加入任何光催化劑)。檢測結果顯示空白實驗中，甲基橙溶液經紫外光源輻照100 min后降解率極小，約為4.96%。當CTAB的加入量依次為0.5 g，1.5 g，2.5 g和3.5 g 制備的單質銅粉末樣品對甲基橙的降解能力均有不同程度的提高，且降解率隨CTAB的加入量增加而增加。經紫外光源輻照100 min后，其中CTAB的加入量為2.5 g和3.5 g制備的樣品對甲基橙的降解率約為58.13%和66.35%。從圖2(c,d)可以看出，該兩組樣品分散性較好，因為相同質量的單質銅粉末比表面積大，吸光能力強，故甲基橙降解率較高。甲基橙降解率較小的是CTAB的加入量為0.5 g和1.5 g制備的樣品，從圖2(a,b)可以看出，樣品團聚嚴重，因而樣品吸附能力和吸光能力都比較差。故CTAB的加入量為0.5 g和1.5 g制備樣品的光催化性能較低。

圖3　不同CTAB加入量制備樣品的降解率曲線圖Fig.3　Degradation rate curves of Cu with different content of CTAB

3　結　論

(1) 通過化學還原法，在CTAB輔助下，以CuCl2·2H2O為銅源成功制備出單質銅顆粒。

(2) 光催化降解實驗結果顯示所制備的單質銅粉末都具有光催化活性，且光催化能力隨CTAB加入量的增加而提高。其中，當100 mL蒸餾水中CTAB加入量為3.5 g時，單質銅粉末對甲基橙溶液的降解率可達到66.35%。

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Preparation of Cu and Its Photocatalytic Property

LIUHua-rong

(Sichuan College of Architectural Technology, Sichuan Deyang 618000, China)

Simple substance copper were prepared via chemical reduction method employing the cupricchloride (CuCl2·2H2O) as source of copper with the assistant of Hexadecyl trimethyl ammonium Bromide (CTAB). The chemical composite structure and morphology of Cu were characterized and studied in detail by XRD and SEM. The photocatalytic activities of Cu were evaluated through degradation rate of methyl orange(MO). The results showed that the simple substance copper were obtained successfully without protective gas. All the samples exhibited evident photocatalytic property which increased with increasing amount of CTAB.

copper; CTAB; cupricchloride; photocatalytic activities

O69

A

1001-9677(2016)015-0107-03