多孔Cu-CuO/HPTS复合材料的制备及其光催化性能
背景介绍
随着能源危机的日益严重和环境的恶化，新能源的开发显得尤为迫切。光催化技术得到了快速的发展，研究者对不同类型光催化剂进行广泛的研究。对于传统的半导体光催化剂来说，与其他半导体复合或者降低材料尺寸都是提升光催化能力的有效方法。但是在降低光催化剂尺寸的同时也伴随着一系列的问题，对于金属半导体来说较小尺寸有着较大的比表面积，更强的光催化活性，但是微纳米尺寸的光催化剂容易团聚并且难以回收。如果将金属纳米颗粒负载在一个具有宏观尺寸的载体上，那么在保留纳米半导体材料优点的同时，也可以修正纳米材料的缺点。
本文亮点
1、本文以级孔钛硅酸盐(HPTS)作为载体，通过原位还原Cu2+制备多元复合材料Cu-CuO/HPTS；
2、本实验设计出了一种多级孔光催化剂，在模拟太阳光下可以有效的降解RhB等染料类污染物；
3、可控的大尺寸有利于催化剂的回收，这对可能的工业应用来说极具吸引力。
内容介绍
1 实验部分
将30mL去离子水、20mL TPAOH和1.0g钛酸四异丙酯(TTIP)在40℃水浴加热下搅拌至澄清溶液后，滴加2mL TEOS,搅拌3~4h,待TEOS完全水解后,将澄清溶液倒入反应釜中，随后在120℃下水热3h得到钛硅前驱液。将6g PDADMAC加入100mL去离子水中，在40℃搅拌45min后投入3.5g MEMP，继续搅拌12h。取出干燥后，将负载了PDADMAC的MEMP投入到钛硅前驱液中于室温下搅拌24h后，经老化24h、碳化和煅烧得到白色的HPTS。
将2g HPTS投入到60mL不同浓度乙二醇(苯甲醇)-醋酸铜混合水溶液中，上述溶液比例为n(乙二醇(苯甲醇))∶n(醋酸铜)=2.4∶1，在摇床上振荡12h后，将材料取出用水和乙醇洗涤，随即在室温下干燥，将干燥后的材料在160℃的烘箱中热还原4h后，洗涤干燥密封保存，得到不同Cu-CuO含量的Cu-CuO/HPTS-x(x表示材料含铜的质量百分比)。
以北京诺比特公司生产的光催化反应器(pHCHEM-Ⅲ Rotary)作为RhB降解的反应器。用紫外-可见分光光度计(T6 New Century)测量吸光度的变化，以评价HPTS和Ag/HPTS的光催化性能。将0.1g光催化剂和50mL(10 mg/L)RhB溶液加入石英瓶中，在黑暗中搅拌1.5h以保证RhB分子在HPTS和Ag/HPTS上达到吸附平衡。用250W的长弧氙灯照射反应体系3h，在光反应过程中，每隔30min取4mL反应液,在λmax=552nm处测量其吸光度。
2 结果与讨论
a、d.EG/Cu-CuO/HPTS的SEM图；
b、e.苯甲醇/Cu-CuO/HPTS的SEM图；
c、f.硼氢化钠/Cu-CuO/HPTS的SEM图；
g~i.Cu-CuO/HPTS-2.25的TEM图
图1 不同还原剂还原后Cu-CuO/HPTS的SEM图与Cu-CuO/HPTS-2.25的TEM图
2.1.2 XRD和红外光谱分析
a.HPTS与Cu-CuO/HPTS-2.25的红外光谱图；b.Cu-CuO/HPTS的XRD图
图2 HPTS与Cu-CuO/HPTS的红外光谱图与XRD图
2.1.3 X射线光电子能谱(XPS)分析
a.XPS全图谱；b~d.Si 2p、Ti 2p、Cu 2p的XPS光谱
图3 Cu-CuO/HPTS-2.25的XPS光谱
a.催化剂量对Cu-CuO/HPTS-2.25降解RhB效率的影响；
b.催化剂量对Cu-CuO/HPTS-2.25降解RhB的一级动力学反应速率
图8 催化剂用量对Cu-CuO/HPTS-2.25降解RhB效率的影响
2.2.3 溶液初始pH对Cu-CuO/HPTS-2.25降解RhB的影响
3 结论
本文以宏观尺寸多级孔钛硅酸盐(HPTS)为载体，采用原位还原与硼氢化钠还原的方法制备了Cu-CuO/HPTS复合催化剂。HPTS具有3D连续贯通的大孔及短的介孔孔道，使反应物更容易接触孔道内的活性位点，产物则更容易脱离活性位点。大孔孔壁上存在大量的微孔,提供了更多的活性位点。这些优点使得HPTS在催化RhB反应中具有良好的催化性能，在模拟太阳光3h时，RhB的降解率能达到85%。将Cu-CuO负载在HPTS上，能够在一定程度上抑制电子-空穴复合，并增强对太阳光的吸收作用。结果表明，Cu-CuO/HPTS不仅制备简单回收容易，还能有效的降解其他染料类的有机物。本实验设计出了一种多级孔光催化剂，在模拟太阳光下可以有效的降解RhB等染料类污染物。此外，可控的大尺寸有利于催化剂的回收，这对可能的工业应用来说很有吸引力。
