基于Au@Cu2O材料的催化性能研究.pdf

1、近年來(lái)，對(duì)材料表面晶面的精細(xì)調(diào)控一直是材料性能提升的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，現(xiàn)代化的生活對(duì)材料性能要求越來(lái)越高，單一的材料改性已經(jīng)滿足不了我們對(duì)其多功能的需求，如何在材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上完成材料表界面精細(xì)調(diào)控將是探究高性能材料的有效途徑。
　　本文以Cu2O為基體材料，圍繞材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從晶面控制入手，一方面，實(shí)現(xiàn)了Au@Cu2O核殼結(jié)構(gòu)的組裝，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行其光催化性能優(yōu)化；另一方面，通過對(duì)Cu2O表面形貌調(diào)控，實(shí)現(xiàn)其界面的晶面控制，

2、進(jìn)一步增強(qiáng)其光催化性能。最后制備了Au@Cu2O/ZnO三相復(fù)合物，探究了結(jié)構(gòu)控制、晶面增強(qiáng)和復(fù)合增強(qiáng)這三者之間的協(xié)同效應(yīng)，同時(shí)研究了其光催化和熱催化性能。主要的實(shí)驗(yàn)工作和研究成果如下：
　　(1)首先，完成了Au@Cu2O核殼催化劑的制備。這種催化劑具有不同形貌的殼，并且每個(gè)殼內(nèi)僅包含一個(gè)Au納米棒，催化劑尺寸在110nm左右。我們利用Cu2O殼形貌對(duì)不同還原劑的差異性，制備了八面體Au@Cu2O和截角八面體Au@Cu2O兩種不

3、同形貌的催化劑。八面體的樣品表面暴露｛111｝面，然而截角八面體表面暴露｛110｝面。光催化結(jié)果顯示，截角八面體Au@Cu2O具有更強(qiáng)的吸附效果和光催化性能。金納米棒的作用有以下兩個(gè)方面：肖特基勢(shì)壘和等離子共振，前者促使電子從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移給金屬，而后者能夠促進(jìn)半導(dǎo)體電子空穴的分離，這兩者都能明顯提高半導(dǎo)體的光催化性能。光催化機(jī)理研究結(jié)果表明，一方面，Cu2O的光激發(fā)電子經(jīng)過DET和PIRET兩個(gè)過程轉(zhuǎn)移到其導(dǎo)帯，進(jìn)一步促進(jìn)電子-空穴對(duì)的分

4、離，促進(jìn)光催化；另一方面Cu2O{110}比{111}具有更正的電荷，更容易吸附染料進(jìn)行催化反應(yīng)，從而促進(jìn)催化性能提高。
　　(2)基于上一部分實(shí)驗(yàn)，為了能夠充分利用Au棒的等離子共振效應(yīng)，優(yōu)化Au@Cu2O核殼結(jié)構(gòu)的光催化性能，我們進(jìn)行了Cu2O殼的尺寸調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。我們通過改變制備核殼催化劑的過程中改變Au的體積，從而可以連續(xù)調(diào)節(jié)Cu2O殼的尺寸。光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，97nm的Au@Cu2O的催化性能最好，一方面是由于殼尺寸降低帶

5、來(lái)了Au棒等離子效應(yīng)增強(qiáng)，促進(jìn)了光催化；另一方面尺寸進(jìn)一步被降低時(shí)，Cu2O表面失去了規(guī)則的晶面，晶面催化效應(yīng)消失，反而71nm尺寸的催化劑的催化能力變低。催化活性基團(tuán)捕捉實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示起催化作用的是空穴和氫氧根自由基，其中起最主要催化作用的是空穴，氧自由基在此過程中不起作用。
　　(3)為了獲得低成本、高效率的催化劑，我們將Au@Cu2O納米粒子與ZnO復(fù)合，利用復(fù)合后的協(xié)同催化獲得高效、穩(wěn)定和低成本的光催化材料。我們選用最優(yōu)的9

6、7nm-Au@Cu2O截角八面體納米粒子作為添加劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5％-Au@Cu2O含量的復(fù)合材料具有最優(yōu)的光催化性能。同時(shí)，這種材料還具有良好熱催化效果，這對(duì)我們探究材料的熱催化機(jī)理提供了一定的研究基礎(chǔ)與探究思路。
　　本文設(shè)計(jì)了Au@Cu2O和Au@Cu2O/ZnO復(fù)合催化劑，探究了結(jié)構(gòu)控制、界面控制和復(fù)合增強(qiáng)這三者之間的協(xié)同效應(yīng)，提升了Cu2O基材料的光催化性能，為新一代多功能材料的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了一些新的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和研究思