化学及化学生活

1、 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)23H2O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

2、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 1,2 ，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3,5 ，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

3、用潜力。本研究利用化学浴法6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。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)23H2O、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

4、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30

5、min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）A0100%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3675。、4255。和6180。处，与国际标准卡片比较

6、，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Fig1 XRD result of nano-CuO 图2 纳米Cu0的SEM 照片Fig2 SEM result of nanoCu0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CuO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020m1的 3的H2O2 将上述溶液在日光灯照射下进行光化学反应，

7、取光照30，60，90和120min时的样品测定吸光度，结果见图3 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7，8 的双重性质，因此，在光催化系统中应适当控制H202 的加入量溶液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 3H202 ,分别用盐酸或氢氧化钠调节反

8、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 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。CuO 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 3H202 ，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 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

9、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 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 3H202 ，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 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。催

10、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5mgL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, 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 3H202 ，调节pH=7，然后加入0.5g 催化剂分别在紫外灯下光照0min、15min、30m

11、in、45min、60min，时取样在用紫外扫描，结果如图3.16所示 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。

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