殼結構Cu2O@TiO2球狀顆粒制備和光催化性能探討

劉發強， 夏培蓓， 李玉梅， 吳詠梅

(新疆工程學院化學與環境工程學院，新疆 烏魯木齊 830091)

核/殼結構納米材料是一種新型的復合材料，因為其結構相對來說比較特殊，同時具有許多良好的形式，因此在生物、醫學、電、磁、光等眾多領域中具有良好的應用價值。而納米氧化亞銅則是一種P型半導體材料，可以通過光照射將其激發。而專家學者發現結合氧化亞銅與光催化能夠有效地提高光催化性效率。而二氧化鈦具有催化活性高、無毒、抗腐蝕性強等特點，但是二氧化鈦對于可見光的利用率低。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、鈦酸四丁酯、無水乙醇、三水合硝酸銅，國藥集團化學試劑有限公司。

DHG-9039A型電墊恒溫鼓風干燥箱；KQ-100DV型數控超聲波清洗器；TG165醫用離心機；JSM-6610LV型掃描電子顯微鏡；DX-2000型X射線衍射儀；箱式電爐；DZF-6050型真空干燥箱[1]。

1.2 Cu2O的制備與表征

稱取三水合硝酸銅0.392 g與聚乙烯吡咯烷酮碘0.200 0 g，量取30 mL乙二醇，在乙二醇中將三水合硝酸銅與聚乙烯吡咯烷酮進行溶解，并將經過溶解之后的溶液放置在50 mL聚四氟乙烯內襯的不銹鋼高壓釜中，密封之后將反應釜放入箱式電爐，并設置溫度180 ℃，靜待3 h，取出后自然冷卻至室溫，然后使用無水乙醇與去離子水進行反復清洗，在60 ℃的真空干燥環境下放置4 h備用[2]。

1.3 Cu2O@TiO2的制備

首先，稱取4份0.025 0 g氧化亞銅，然后將其均勻分散在無水乙醇中，無水乙醇4 mL，在無水乙醇中依次加入10、30、50、80 μL鈦酸四丁酯，將其進行充分的攪拌之后，在聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中添加4 mL去離子水，在內襯底部的中心放置小燒杯，并密封反應釜，然后將其放置在真空干燥箱中，設置溫度為150 ℃，加熱1 h，等到反應釜自然冷卻到室溫之后，使用無水乙醇與去離子水進行重復清洗，并同樣放置在真空干燥箱中，設置60 ℃干燥4 h，放置備用。

2 結果及討論

2.1 Cu2O形貌與結構表征

如第2頁圖1a)、b)所示，氧化亞銅的形貌主要表現為圓球狀，其直徑大約在300 nm，其主要表現為分布均勻，具有較好的形貌一致性。同時，選擇衍射峰的三強線，并與PDF#0.99卡片進行比較，其結果顯示為，實驗所制備的樣品為Cu2O。

2.2 Cu2O@TiO2與Cu2O的形貌與結構表征

2.2.1 不同制備條件

Cu2O為0.025 0 g，鈦酸四丁酯為10 μL，時間為1 h，選取衍射峰的三強線，并與標準PDF#21-127以及標準PDF#77-1099卡片進行比較。結果顯示，實驗室制備的樣品成分主要為Cu2O與TiO2。氧化亞銅的直徑為300 nm。

圖1 樣品的各項表征結果

2.2.2 不同條件下Cu2O@TiO2的制備結果

Cu2O@TiO2的直徑依次為600、800、1 000、1 300 nm，并且形狀基本上均為圓球狀。但是，對于球狀進行比較可以發現，鈦酸四丁酯的添加量對Cu2O@TiO2的直徑有直接影響。

添加鈦酸四丁酯的量之所以能夠對Cu2O@TiO2大小產生直接的影響，其原因是隨著鈦酸四丁酯量的逐漸增加，Cu2O小球表面包裹的TiO2殼也越來越厚。

3 Cu2O@TiO2的光催化性能

為了對Cu2O@TiO2、TiO2、Cu2O的光催化性能開展測試，將500 W的疝燈作為光源，以甲基橙溶液作為降解染料。其實驗步驟為：將0.02 g的Cu2O@TiO2、TiO2以及Cu2O放置在一個100 mL的燒杯中，并在燒杯中溶解40 mL的20 mg/L的甲基橙溶液。然后開始進行攪拌，首先是暗環境攪拌，并在經過20 min之后，開展取樣離心操作，在波長為464 nm的可見光下測試吸光度，并靜置10 min之后重復進行測試。然后，在可見光的環境下進行光催化反應，每間隔10 min對于剩余的甲基橙開展一次濃度測試，圖2所示為測試結果。

圖2 在可見光照射下不同光催化劑對于甲基橙的降解曲線

4 結論

綜上所述，本文通過利用溶劑熱法制備了具有核殼結構的Cu2O@TiO2光催化復合材料。而在進行制備的過程中發現Cu2O表面沉積在TiO2的殼層厚度可以通過鈦酸四丁酯不同的添加量進行控制，對于球狀的外貌無任何影響。而在室溫可見光下，使用氙燈開展光催化檢測，發現Cu2O@TiO2的光催化性要優于Cu2O@TiO2的光催化性能，可能是由于p-n異質結的形成能夠對核殼結構的Cu2O@TiO2產生良好的催化效果。