纳米Cu2O可见光催化制备持久性Fenton试剂及环境治理研究

Recently, the synthetic process of H2O2 has been studied using ZnO, TiO2, CdS, CdSe etc. as photo-O2-cathode, but the photo-O2-cathode of Cu2O has not yet been investigated. The potential of Cu2O is far low the semiconductor material as above-mentioned list. At the same time, it has strong oxygen adsorption ability. The experiments of ring-plate electrode show that the formation of H2O2 has more than above-mentioned semiconductor materials. The mechanism of H2O2 will been studied using Cu2O photo-oxygen cathode and further optimize experiment. Finally, the enviromental application of Cu2O photo-oxygen cathode was provided using the Fenton reagents by light generation. Fenton reagent is effective tool of sewage treatment, but it need add extra H2O2 and give rise to the higher costs. The generation of H2O2 was induced by visible light in this study, the results of experiment indicate that the degradation of X-3B is equivalent to the Fenton reagents by 80-40 mM H202, under the condition of simulation sun, the degradation of the X-3B is faster than P-25 (nanometer TiO2) three times. The treatment of wastewater is possible using the visible light (400-800 nm wavelength), which opens new avenues to significantly apply in the abundant sun and severe water pollution of the western region.

前人已研究过ZnO、TiO2、CdS、 CdSe等光氧阴极制H2O2过程，但Cu2O的光氧阴极尚未被研究过。Cu2O的导带电位远负于以上半导体材料，具有极强的氧吸附能力，环盘电极实验显示其生成H2O2的能力超过以上半导体材料。本项目将对在Cu2O光氧阴极上生成H2O2的规律进行研究，并进行优化实验，并提出Cu2O光氧阴极的新应用，即光生H2O2来配制Fenton试剂用于环境治理。Fenton试剂是污水处理的有效工具，但需要加入H2O2，从而使其成本提高。本研究拟用光生H2O2解决这一问题，初步实验表明，降解活性艳红X-3B的速度相当于加入80-40 mM H202所配制的Fenton试剂，在模拟太阳光照射下，其降解活性艳红X-3B的速度比P-25（纳米TiO2）快三倍。这条新途径使利用可见太阳光（400－800nm波长）处理污水成为可能，这在阳光充足而水源污染严重的西部地区具有实际意义。

纳米金属氧化物是一类重要的光电器件材料，在光催化领域有重要的研究价值和应用潜力。在本项目中尝试探索新的方法制备铜胶体，随后通过纳米铜胶体的氧化制备了性能优异的纳米Cu2O。电化学试验表明在低电压下，纳米氧化亚铜能够将氧气还原成为过氧化氢，有较大的氧还原电流，是一种优良的氧阴极材料。我们利用这一性质制备新的Fenton系统，并将之用于活性艳红的降解。结果显示这样的系统能有效的使活性艳红降解。本项目接着研究新型石墨烯状氧化铜纳米薄膜的制备及其在光催化方面的应用。以低成本，环境友好的铜网通过通过阳极氧化和退火处理来合成多孔类石墨烯状CuO纳米薄膜。这种多孔氧化铜薄膜显示出很好的降解甲基蓝的光催化性能,仅用了60 min就把甲基蓝溶液完全降解，测得其降解率为99 %，远高于商业化氧化铜粉末54%的降解率。此外，我们还对CuO纳米薄膜的光催化稳定性能进行评估，在可见光照射下，甲基蓝的光催化降解进行五次循环运行，五次循环运行后CuO纳米薄膜衰减了不足2 %的光催化活性。这表明了该氧化铜纳米薄膜在光催化降解甲基蓝过程中的稳定性非常高。本研究将为新型石墨烯状氧化铜纳米薄膜在光催化上的应用提供科学依据。本项目然后研究了氧化锌纳米颗粒膜的制备及其在紫外光和白光照射下的光电性能。研究氧化锌纳米材料电子空穴对不同的产生/捕获/复合类型对光电流响应的影响。本工作能够让大家更多的了解氧化锌的光电物理特性与其内部缺陷的关系，这对于理解光电催化过程的机理具有很重要的意义。本项目还重点研究了CdS/TiO2复合体系的制备及在可见光照射和甲醛气氛条件下的光电性能。在本工作中，首先通过机械球磨和丝网印刷的方法制备TiO2器件，接着通过连续离子层吸附反应的方法成功制备了CdS/TiO2复合体系器件。最后，测试了可见光条件下，TiO2器件与CdS/TiO2复合体系器件对甲醛气氛的响应。研究表明引入CdS后，复合体系对白光照射有明显的响应。研究认为复合体系所获得的较高光电流，有两方面原因。第一，CdS量子点在吸收一个光子时，由于量子限域效应，可以产生多个电子与空穴的激子对；第二，CdS与TiO2两者在能带匹配上，所以，大大地促进了CdS/TiO2复合体系材料内部的光生载流子的分离，进而减少了电子和空穴的复合，最终使得外电路中的光电流极大增加。本研究将为CdS/TiO2复合材料在光催化方面的应用提供了依据。