Cu2O-Bi2Fe4O9復合材料的制備及其光催化性能研究

劉程成 卞振濤 郭攀 王聰 周昌超 王紅艷 王玉鋒

摘 要：本文使用液相還原法制備了幾種不同pH值下的Cu2O材料，并對其進行光催化測試.擇取光催化效果最佳的Cu2O材料置于反應釜水溶液中在高溫、高壓條件下與Bi2Fe4O9進行水熱反應制備Cu2O-Bi2Fe4O9復合材料.合成材料的結構采用X射線衍射（XRD）進行分析表征.同時測試了合成材料的Zeta電位.采用掃描電子顯微鏡（SEM）測試合成材料的形貌.采用紫外可見分光光度計（UV-vis）測試了合成材光催化降解的能力.結果表明：Cu2O-Bi2Fe4O9復合物較Cu2O光催化能力有所提升.

關鍵詞：Cu2O;水熱法;Cu2O-Bi2Fe4O9;光催化降解

中圖分類號：X703? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）07-0057-03

引言

當前社會，環境污染和環境治理已經成為全世界共同關注的問題.光催化材料是利用光輻照使有機污染物催化降解，所以光催化材料成為研究的一個重要方向.Cu2O是一種P型半導體物質[1]，具有相對較小的帶隙（約2.0ev）和在可見區的高吸收容量[2].Cu2O材料在光照射下產生載流子，進而激發產生自由基，因此具有光催化性能.但是光生電子空穴對容易發生復合，進而限制了Cu2O材料的催化能力[3].如何提高它的催化效果以及降解效率成為研究的重點.Cu2O與N型半導體材料復合后，帶隙間產生有效電荷勢壘的界面，使其對可見光的利用更加充分，將有效的提高光催化性能效率[4].Bi2Fe4O9是一種新型的鉍系半導體材料，具有良好的磁性和光催化性能[5].Bi2Fe4O9屬于窄帶隙半導體材料，在可見光區和紫外光區都有很好的光響應，可以降解甲基橙溶液，展現出獨特的光催化能力[6].通過水熱法制Cu2O-Bi2Fe4O9復合材料，該種方法首先耗能低，反應條件較為溫和，易控制，安全的同時還降低了成本;其次制出來的材料純度高，粒度大小勻稱，有較佳的分散性.

本文采用液相還原法制備了幾種不同pH值條件下的Cu2O材料，然后用水熱法制備了Cu2O-Bi2Fe4O9，并作光催化劑降解染料甲基橙，研究復合材料光催化性能.實驗結果表明：復合后的Cu2O材料對可見光的吸收更加充分，較單一的Cu2O材料光催化性能有所提升.

1 實驗

1.1 試劑和儀器

本實驗所用試劑除甲基橙為指示劑級其他試劑均為分析純.

本實驗所用的主要儀器見表1.

1.2 氧化亞銅的制備

取35mL0.2M醋酸銅溶液于40℃水浴條件下攪拌5min，然后緩慢向其中滴加10mL3M氫氧化鈉溶液，不停攪拌，直至形成藍色的懸浮液，最后加入20mL0.25M葡萄糖溶液，不斷升溫至70℃，恒溫攪拌15min，反應后懸濁液經水洗、醇洗和干燥得到氧化亞銅.

改變氫氧化鈉的加入量（分別為20mL、30mL），其他步驟不變，得到不同堿性條件下制得的氧化亞銅材料.

1.3 氧化亞銅與鐵酸鉍的復合

分別取五水合硝酸鉍（2.4253g）和九水合硝酸鐵（1.3515g）溶解在20mL的去離子中，將兩種溶液攪拌在一起形成溶液A.然后用NaOH調節pH至12.取0.720g催化性能優異的Cu2O材料溶于水形成懸濁液B.邊攪拌邊把A液加到B液中，然后向其中加入10mL的6mol/L的NaOH，再加去離子至70mL，室溫下攪拌15min，最后轉移到100mL不銹鋼高壓釜，放于180℃電熱恒溫鼓風干燥箱加熱10h，產物經洗滌、離心和干燥得到Cu2O-Bi2Fe4O9復合材料.

1.4 光催化實驗

2 實驗數據及分析

2.1 Cu2O和Cu2O-Bi2Fe4O9復合材料的XRD分析

圖1是采用不同堿用量制備樣品的XRD圖譜.樣品衍射峰分別在2θ為29.53°、36.43°、42.41°、61.41°、73.71°、78.12°出現了六個主要的特征峰，與Cu2O標準衍射圖譜（PDF-#75-1531）一致.此外，這些衍射峰的峰強度較高，半峰寬較窄，說明制備的Cu2O材料結晶度較高.從圖上可以看出，除了Cu2O的衍射峰外，沒有多余衍射峰出現，說明制備的Cu2O純度較高.

圖2是Cu2O-Bi2Fe4O9復合材料的XRD，復合材料在除了Cu2O的特征峰外，其余各衍射峰與Bi2Fe4O9標準衍射圖譜（PDF-#25-0090）數據一致，各晶面位置在圖中已經標注.

2.2 Cu2O和Cu2O-Bi2Fe4O9的SEM分析

由圖3a可看出加入10mL NaOH溶液生成的Cu2O，顆粒集中聚集嚴重;圖3b是加入20mL NaOH溶液制備的Cu2O，晶體形貌呈球型和方型，分散的較為均一;圖3c是加入30mL NaOH溶液制備的Cu2O，粒度大小勻稱，疏散性好，晶體形貌呈八面體型;圖3d是Cu2O-Bi2Fe4O9復合材料，可以明顯看出八面體結構的材料上附著絨狀片物質，說明Cu2O與Bi2Fe4O9很好地復合在一起.

2.3 Cu2O與Cu2O-Bi2Fe4O9的Zeta電位分析

由圖4可以知Cu2O Zeta電位為+10.1mV，Cu2O-Bi2Fe4O9 Zeta電位為+20.7mV，后者的Zeta電位要大于前者，說明Cu2O-Bi2Fe4O9溶液體系穩定，粒子分散均勻.甲基橙是陰離子酸性染料，帶負電荷，分別用Cu2O和Cu2O-Bi2Fe4O9做催化劑，將有利于催化劑與甲基橙染料結合，并且Zeta電位越高結合效果越好.

2.4 Cu2O與Cu2O-Bi2Fe4O9的光催化性能研究

由圖5可以看到，在可見光作用下，10 mL NaOH溶液制備Cu2O材料對甲基橙的降解率為38.1%、20mL NaOH溶液制備Cu2O材料的為52.6%，30mL NaOH溶液制備Cu2O材料的為52.6%，Cu2O-Bi2Fe4O9復合材料的為81.2%.說明增加NaOH溶液用量能夠提高Cu2O降解甲基橙的速率，這可能是因為隨著NaOH溶液用量的增加，制備的Cu2O粒度大小勻稱，粒徑較小且疏散性好，所以催化效果更好.此外，Cu2O-Bi2Fe4O9光催化性能更加優異，原因可能復合后的材料Cu2O是n型半導體[7]，Bi2Fe4O9是P型半導體，二者形成復合物時構成了異質結，構造的非均相界面提高了電子–空穴對的分離效率，顯示出較高的光催化還原性能[8].

3 結論

本文以醋酸銅為銅源通過液相還原法制備了幾種不同pH值條件下的Cu2O材料，進行光催化測試，擇取光催化效果最佳的Cu2O材料置于反應釜水溶液中在高溫、高壓條件下與Bi2Fe409進行水熱反應制備復合材料，用SEM和XRD對材料表征，并用作光催化劑催化降解染料甲基橙，研究該復合材料的光催化能力.通過實驗數據表明：增加NaOH溶液用量制備的Cu2O材料，與可見光作用240min降解甲基橙的速率可以達66.8%，而用Cu2O（30mL NaOH溶液）為原材料制備的Cu2O-Bi2Fe4O9光催化性能更加優異，在可見光下照射240min降解甲基橙的速率可達81.2%.

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參考文獻：

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