氧化亞銅/石墨烯納米復(fù)合材料簡(jiǎn)易制備及其催化應(yīng)用研究

姚有智 葉舟 李超 高天銥

氧化亞銅/石墨烯納米復(fù)合材料簡(jiǎn)易制備及其催化應(yīng)用研究

姚有智 葉舟 李超 高天銥

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程學(xué)院，安徽蕪湖，241003）

在常溫下用水合肼作為還原劑、硫酸銅作為原料，制備了氧化亞銅/石墨烯納米復(fù)合材料。電鏡掃描顯示，在不同反應(yīng)條件下，氧化亞銅分別以梭形或方形形貌分散在石墨烯表面。在可見光照射條件下，氧化亞銅/石墨烯納米復(fù)合材料對(duì)品紅酸具有良好的光催化降解性能。

氧化亞銅；石墨烯；納米復(fù)合材料；光催化

1 緒論

銅在地殼中儲(chǔ)量較為豐富，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，相比于重金屬材料其價(jià)格較低，因此銅及其復(fù)合材料作為催化劑得到了廣泛應(yīng)用。氧化亞銅（Cu2O）是一種優(yōu)良的電子中間物質(zhì)，具有可逆氧化還原活性，因而引起了研究者的強(qiáng)烈關(guān)注。各種各樣的Cu2O納米結(jié)構(gòu)，如多面體中空結(jié)構(gòu)[1]、納米立方體、多孔納米球和納米線[2]廣泛地用作光催化材料；同時(shí)，氧化亞銅（Cu2O）因具有表面積大和催化活性優(yōu)異的特點(diǎn)而被應(yīng)用于電池和傳感器[3]。

然而，由于Cu2O納米顆粒易氧化，納米Cu2O的廣泛應(yīng)用受到限制[4]。因此，開發(fā)一種新型固體支撐材料，合成具有具有穩(wěn)定性和高催化性能的Cu2O納米復(fù)合材料引起廣泛關(guān)注。石墨烯作為一種二十一世紀(jì)新開發(fā)的二維碳基材料，因具有表面積大、電學(xué)性能優(yōu)良、高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如儲(chǔ)能、化學(xué)傳感器、光電器件等，同時(shí)也是多種類型催化劑的理想載體[5]。

關(guān)于Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料合成方法的報(bào)道很多，但其合成過程中往往需要比較苛刻的條件，如高溫、設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜等[6]。因此，我們研究出一種常溫下用N2H4作為還原劑經(jīng)過簡(jiǎn)單操作而合成梭形和方塊形Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料的方法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器和試劑

儀器：SHA-C水浴恒溫振蕩器；85-2全不銹鋼型磁力攪拌器；紫外光譜儀（Hitachi U-3010）；掃描電子顯微鏡（SEM）（HitachiS-4800）；X射線粉末衍射（XRD）（日本，XRD-6000型），Cu-Κα（λ=0.15406 nm），掃速為0.05°／S，測(cè)量范圍2θ為20°到90°。

試劑：GO（用Hummer方法[7]合成）；二次蒸餾水。所有化學(xué)藥品的級(jí)別都為分析純。除了特別說明之外，所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下完成。

2.2 梭形和方塊形Cu2O石墨烯復(fù)合材料的制備

取制備好的石墨烯溶液加10毫升，加微量堿液調(diào)節(jié)pH值，使pH = 8；加200 μL的硫酸銅0.05 M；緩慢加入0.1M氫氧化鈉200 μL；用微型移液槍逐滴加入200 μL水合肼（N2H4）。整個(gè)過程在振動(dòng)或攪拌的條件下進(jìn)行，約一個(gè)小時(shí)完成。然后，靜置24小時(shí)，經(jīng)過離心分離和真空干燥，最后獲得樣品。不同Cu2O石墨烯復(fù)合材料的形貌可以通過改變以下兩個(gè)條件而獲得：第一，采用不同的堿液來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；第二，改變外力條件。如圖1所示，合成過程主要通過三步完成。

圖1 不同形貌的Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料制備過程

3 結(jié)果與討論

3.1 納米復(fù)合材料形貌表征

圖2a和圖2b中出現(xiàn)很多的褶皺是被水合肼還原了的石墨烯二維片狀結(jié)構(gòu)，被稱為還原石墨烯。還原石墨烯被認(rèn)為是一種完美的高效催化劑載體[8]。在石墨烯表面，可以清晰地觀察到大量分散且形狀分別為梭形和方塊形的顆粒，這充分說明實(shí)驗(yàn)成功制備了不同形貌的納米顆粒。

圖2 Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料SEM形貌表征

3.2 納米復(fù)合材料組分表征

我們用X射線衍射（XRD）對(duì)納米復(fù)合材料樣品進(jìn)行了表征，如圖3所示。強(qiáng)的衍射峰出現(xiàn)在2θ 分別達(dá)到 28.5°、36.6°、43.3°、50.5°、61.5°和74.2°的時(shí)候，分別對(duì)應(yīng)（110）、（111）、（200）、（220）、（311）和（222）的晶面，這說明合成的納米顆粒屬于立方晶系（JCPDS，78-2076）[9]。然而，在40°到43°間有些小的弱峰，可能是由于含有極少量的CuO而引起的[10]。XRD表征說明實(shí)驗(yàn)成功制備了極為純凈的Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料。

圖3 Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料XRD表征

XRD譜圖經(jīng)處理后，按化學(xué)計(jì)量法 (已歸一化)重復(fù)3次，最后獲得納米化合物的結(jié)構(gòu)比例表達(dá)式，如表1所示。

表1 納米復(fù)合材料元素含量百分比

3.3 Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料光催化應(yīng)用探究

為了證明Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料是否具有良好的催化性能，我們探究了納米復(fù)合材料對(duì)有機(jī)染料光催化降解的情況。以品紅酸為例，在光照條件下，在品紅酸中加入制備好的納米復(fù)合材料，攪拌使之混合均勻。10分鐘后取樣，通過品紅酸紫外吸收光譜對(duì)比可以看出（如圖4所示），經(jīng)過10分鐘光照，在納米復(fù)合材料催化降解后品紅酸的特征峰（545 nm）強(qiáng)度急劇下降，這說明品紅酸濃度顯著下降，由此證明Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料具有潛在的優(yōu)良催化性能。

圖4 Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料光催化降解品紅酸-紫外吸收光譜圖

結(jié)論

我們采用比較簡(jiǎn)單的方法合成了具有不同形貌的Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料，且整個(gè)過程在常溫下進(jìn)行，這為其它碳基功能材料的制備提供了新的思路。作為優(yōu)良的催化劑，Cu2O石墨烯納米復(fù)合材料具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，值得進(jìn)一步研究。

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On Simple Preparation and Catalytic Application of Cuprous Oxide / Graphene Nanocomposites

YAO Youzhi & YE Zhou & LI Chao & Gao Tianyi

At room temperature, cuprous oxide / graphene nanocomposites (Cu2O/RGO) were prepared with hydrazine hydrate (N2H4) as reducing agent and copper sulfate as raw material. It was found that cuprous oxide dispersed on the surface of graphene in the form of shuttle or square under the different reaction conditions through scanning electron microscopy. In the condition of visible light, Cu2O/RGO nanocomposites have good photocatalytic degradation performance for fuchsin acid.

cuprous oxide; graphene; nanocomposites; photocatalysis

O621.3

A

1009-1114（2020）03-0034-03

2020-04-01

姚有智（1974—），安徽蕪湖人，博士研究生，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榧{米材料制備及其應(yīng)用。

研究項(xiàng)目：校級(jí)人才項(xiàng)目“碳基納米復(fù)合功能材料的制備及其應(yīng)用（wzyrc201803）”；省級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目“石墨烯負(fù)載金屬納米復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能研究（KJ2018A0696）。

文稿責(zé)編 吳為亞