基于铜及氧化亚铜复合材料制备及催化行为研究

【摘要】：铜基纳米材料因其原料丰富、价格低廉并展现出不同于宏观材料的优良物理化学性质,受到科研工作者的广泛关注。作为一种过渡金属,铜基纳米材料具有优良的催化、电学、力学和光学性能,是贵金属的理想替代材料,常被应用于电催化剂、电子电路、传感器和表面增强拉曼散射等领域。氧化亚铜作为一种典型的直接带隙p型半导体材料,禁带宽度约为2.2 eV,对可见光具有较高的吸收效率,在光催化剂、太阳能电池和气体传感器领域受到人们的广泛关注。纳米复合材料通常包含具有纳米尺寸的多种组分,不仅具有组分材料自身特性,还能够通过组分材料之间的协同作用获得更优异的性能或者产生新的特性。本论文采用简单的湿化学法制备铜纳米线复合材料和氧化亚铜纳米复合材料,并将其作为催化剂,探讨纳米复合材料结构与催化性能之间的关系。主要研究内容包括以下方面:1.通过简单的一步湿化学法制备一维铜纳米线/二维还原氧化石墨烯复合材料,铜纳米具有光滑的表面并附着在卷曲的还原氧化石墨烯平面上。将该铜纳米线/还原氧化石墨烯复合材料应用于电催化氧化葡萄糖,由于铜纳米线良好的催化活性、一维方向卓越的导电性以及还原氧化石墨烯在二维方向上快速电子传输、比表面积大等优点,使得该复合材料相对于单纯铜纳米线展现出更加优异的催化性能。随后,我们探究了复合材料中不同铜纳米线与还原氧化石墨烯质量比对复合材料电催化氧化葡萄糖性能的影响。在恒电位0.58 V,最佳比例的铜纳米线/还原氧化石墨烯复合材料展现出最优异的催化性能,具有高灵敏度(1625μA/(mM?cm-2))、低检测极限(0.2μM)、线性范围宽(11 mM)和响应快速(3s)等特点。此外,该复合材料还表现对抗坏血酸、多巴胺和尿酸等干扰物良好的抗干扰性和稳定性。因此,铜纳米线/还原氧化石墨烯复合材料作为非酶葡萄糖传感器具有潜在的应用前景。2.采用铜纳米线为牺牲模板,通过改进的电流置换反应并结合可肯达尔效应制备一系列一维铜基纳米异质结构,包括:3-5 nm金纳米粒子包裹的铜纳米线、Au3Cu合金多孔纳米管等一维异质结构。相对于采用硬模板法制备一维金属纳米异质结构,该方法仅仅通过改变反应物中Cu/HAuCl4的摩尔比,就能获得不同形貌与结构的一维铜基纳米异质结构。此外,将这些一维铜基纳米异质结构应用于催化还原对硝基苯酚,比单纯铜纳米线展现出更好的催化性能。其中Au3Cu合金多孔纳米管由于其特殊的纳米多孔结构与组分协同作用,具有最优异的催化活性。3.以空心金纳米粒子作为等离子体核心,外延生长Cu2O壳层,制备空心Au@Cu2O核壳纳米粒子。通过调控形貌参数如空心金尺寸、壳层Cu2O厚度与形貌,获得形貌各异的空心Au@Cu2O核壳纳米粒子,并展现出形貌依赖的光学特性,使得空心金纳米粒子表面等离子体共振峰的调控范围从可见光区扩展至近红外光区。此外,我们使用时域有限差分法(FDTD)理论模拟空心Au@Cu2O核壳纳米粒子消光光谱,结果与实验光谱相当吻合。最后将该核壳纳米粒子作为光催化剂降解有机染料甲基橙,由于肖特基势垒和等离子体诱导能量转移效应共同作用,使得该催化剂比纯Cu2O纳米粒子表现出更强的光催化能力。