密级★保密期限：（涉密论文须标注）Z S T UZhejiang Sci-Tech University硕士学位论文Master’s Thesis中文论文题目: p-n型Cu2O/TiO2异质结纳米材料的结构及其光催化性能研究英文论文题目：Structure and photocatalytic performance of p-n heterojunction Cu2O/TiO2 nanomaterals学科专业：应用化学作者姓名：周冬妹指导教师：王惠钢完成日期：2015年1月浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：签字日期：年月日目录中文摘要 (I)Abstract (II)第一章前言 (1)1.1背景 (1)1.2文献综述1.2.1纳米TiO2概述 (1)1.2.2纳米Cu2O概述 (2)1.2.3 p-n异质结用于光催化的基本原理 (2)1.2.4p-n型Cu2O/TiO2异质结纳米材料光催化反应的研究进展 (4)1.3本课题的选题思路及研究内容 (6)参考文献 (7)第二章还原法制备的Cu2O/TiO2异质结纳米颗粒及其光催化性能 (11)2.1引言 (11)2.2实验 (11)2.2.1主要试剂和仪器 (11)2.2.2实验方法和步骤 (12)2.3实验结果与讨论 (13)2.3.1Cu2O/TiO2颗粒的表征 (13)2.3.1.1XRD表征 (13)2.3.1.2XPS表征 (14)2.3.1.3SEM与TEM表征 (15)2.3.1.4PL表征 (17)2.3.1.5DRS表征 (18)2.3.2光催化性能实验 (19)2.3.2.1光催化降解装置 (19)2.3.2.2对亚甲基蓝的光催化降解性能 (19)2.3.3Cu2O/TiO2复合材料中Cu2O颗粒的粒径调控 (20)本章小结 (23)第三章还原法制备的Cu2O/TNTS及其光催化性能(方法A) (25)3.1引言 (25)3.2实验 (25)3.2.1主要试剂和仪器 (25)3.2.2实验方法和步骤 (26)3.2.2.1TNTS的合成 (26)3.2.2.2Cu2O/TNTS的制备 (26)3.2.2.3Cu2O/TNTS中Cu2O粒径的调控 (26)3.3实验结果与讨论 (26)3.3.1Cu2O/TNTS的表征 (26)3.3.1.1XRD表征 (26)3.3.1.2SEM与TEM表征 (27)3.3.1.3DRS表征 (29)3.3.1.4N2吸附-脱附表征 (30)3.3.2吸附性能 (31)3.3.3光催化性能实验 (32)3.3.4Cu2O/TNTS复合材料中Cu2O颗粒的粒径调控 (33)本章小结 (37)参考文献 (37)第四章水热法制备的Cu2O/TNTS及其光催化性能(方法B) (39)4.1引言 (39)4.2实验 (39)4.2.1主要试剂和仪器 (39)4.2.2实验方法和步骤 (40)4.3实验结果与讨论 (40)4.3.1Cu2O/TNTS的表征 (40)4.3.1.1XRD表征 (40)4.3.1.2SEM与TEM表征 (41)4.3.1.3PL表征 (44)4.3.1.4DRS表征 (44)4.3.1.5N2吸附-脱附表征 (45)4.3.2吸附实验结果与讨论 (46)4.3.2.1吸附性能实验 (46)4.3.2.2吸附重复性实验 (47)4.3.3光催化性能实验 (47)本章小结 (48)参考文献 (49)第五章两种方法制备的Cu2O/TNTS对比 (51)5.1引言 (51)5.2实验方法对比 (51)5.3光催化剂表征对比 (52)5.3.1XRD表征对比 (52)5.3.2SEM与TEM表征对比 (52)5.3.3N2吸附-脱附与BET表征对比 (54)5.4吸附性能对比 (55)5.5光催化性能对比 (56)本章小结 (58)参考文献 (58)第六章总结 (60)硕士期间发表的论文 (61)致谢 (62)中文摘要纳米TiO2具有光化学稳定性好、不产生二次污染等优点在可再生能源利用和环境保护等领域具有潜在的应用前景。
但由于其只能吸收紫外光，这就极大限制了纳米TiO2在光催化领域的应用与发展。
为了扩展纳米TiO2的光响应范围，本文以p-n型Cu2O/TiO2异质结纳米材料为主要研究对象，分别研究了纳米TiO2颗粒和钛酸盐纳米管负载纳米Cu2O的复合光催化剂的光催化性能，以及探讨了纳米Cu2O的粒径大小对复合纳米材料光催化性能的影响，为制备高效的异质结纳米复合光催化材料提供了参考，具体内容如下：以商用的TiO2（P25）为原材料水热制备钛酸盐纳米管(TNTS)，再用浸渍还原法将纳米Cu2O还原在P25和TNTS表面上，合成Cu2O/P25和Cu2O/TNTS(方法A)，然后将合成的Cu2O/P25进一步水热合成Cu2O/TNTS(方法B)，通过XRD表明，还原法制备的Cu2O 纯度较高，TEM和SEM表明Cu2O以2-3 nm小颗粒形式负载在P25和TNTS表面，Cu2O/TNTS(方法B)具有较好的形貌，而Cu2O/TNTS(方法A)纳米管有所断裂，N2吸附-脱附表明Cu2O/TNTS(方法B)具有较大比表面积，Cu2O/TNTS(方法A)的比表面积比单一组分TNTS更小，DRS(固体紫外漫反射)阐明了纳米Cu2O与TiO2是通过化学键结合在一起的。
通过对还原剂浓度的调控来改变Cu2O/P25和Cu2O/TNTS(方法A)上纳米Cu2O的粒径大小及分布，TEM测试能表明，随着葡萄糖浓度的增加，复合材料上纳米Cu2O的粒径是变小的，分布更分散，通过对亚甲基蓝的光催化降解实验能证明纳米Cu2O粒径更小的复合材料表现出更好的光催化活性，DRS测试表明纳米Cu2O粒径的变小由于量子限制效应会使其能隙变大，使得p-n结构中的两个半导体的导带能隙差距更大，有利于光生电子在p-n结界面的有效转移从而提高光催化活性。
在吸附实验中，探究两种方法制备的Cu2O/TNTS的吸附性能，得出Cu2O/TNTS(方法B)的吸附性能优于单一组分的TNTS，而Cu2O/TNTS(方法A)的吸附性能弱于单一组分的TNTS，在吸附热力学模型研究中，两者都符合Langmuir吸附等温方程式，在动力学研究中，Cu2O/TNTS(方法A)符合二级动力学模型，而Cu2O/TNTS(方法B)符合一级动力学模型，说明两种方法制备的Cu2O/TNTS的吸附模式是不一样的。
在光催化试验中，探究两种方法制备的Cu2O/TNTS在可见光照射下的光催化性能，以及探究了Cu2O/TNTS在催化降解亚甲基蓝过程中的活性物质影响。
实验结果表明，Cu2O/TNTS(方法B)比Cu2O/TNTS(方法A)具有更高的光催化活性。
关键词：纳米Cu2O；光催化；吸附Structure and photocatalytic performance of p-n heterojunction Cu2O/TiO2nanomateralsAbstractNano-TiO2 has a potential application prospect in environmental protection and renewable energy because of its good photochemical stability and free-from secondary pollution.Because TiO2only absorb ultraviolet light,which greatly limites its photocatalysis application and development.In order to expand its photoresponse to visible light rang,we set the p-n Cu2O/TiO2 heterojunction nanomaterals as the main research object, the thesis studied the photocatalytic performance of Cu2O-loaded TiO2particles and titanate nanotubes respectively,especially focused on the influence of Cu2O particle size on the properties of composite photocatalytic nanomaterials.It provides the basis for the development of new hight efficiency p-n heterojunction photocatalyst.Main comtent includes：P25 was used as raw material to synthesized the titanate nanotubes(TNTS）with hydrothermal treatment,we obtained the Cu2O/TiO2and Cu2O/TNTS(method A) by impregnation reduction method,then Cu2O/TiO2was used as the substrate to further hydrothermal synthesis Cu2O/TNTS(method B).XRD characterization indicates that Cu2O is clearly presented in the catalysts by the impregnation reduction method. TEM and SEM characterization show that the P25 and TNTS are decorated by smaller Cu2O nanoparticles with particle sizes of about 2-3 nm, TEM and SEM show that Cu2O/TNTS(method B)owns more uniform tubes and Cu2O/TNTS(method A)tubes were mostly cracked. N2 adsorption /desorption shows that Cu2O/TNTS(method B)has larger specific surface area.DRS demonstrated the Cu2O is chemical bonded to both TiO2 particles and titanate nanotubes.The particle sizes of Cu2O nanoparticles on TiO2particles or titanate nanotubes can be changed by controlling the reductant concentration, TEM shows that the particle sizes of Cu2O nanoparticles decrease with the increase of glucose concentration.Based on the photocatalytic degradation of methylene blue test,it shows that the small Cu2O nanoparticles own better photocatalytic activity. DRS shows that the energy gap of Cu2O nanoparticles increase with the decrease of Cu2O nanoparticles sizes due to quantum confinement effect, which enlarge the energy gap between two conduction band in p-n heterojunction, favor in the effective transfer ofphotoproduction electron in p-n heterojunction barrier so as to improve the photocatalytic activity.In the adsorption test,we explored the adsorption performance of the Cu2O/TNTS prepared by two different methods.We found that the adsorption performance of Cu2O/TNTS (method B) is superior to the single component TNTS and the adsorption performance of Cu2O/TNTS (method A) is weaker than the single component TNTS.In the study of adsoption isotherms, all of them conform to Langmuir single molecule layer isothermal adsorption model.However, Cu2O/TNTS (method B) conformed to the pseudo- first -order adsorption dynamic model, while the Cu2O/TNTS (method A) conformed to the pseudo- second -order model.In the photocatalytic test, we explored the photocatalytic performance of the Cu2O/TNTS prepared by two different methods. The results show that the Cu2O/TNTS (method B) have a higher photocatalytic activity than Cu2O/TNTS (method A) under visible light irradiation.Key Words: nano-Cu2O; photocatalytic; adsorption第一章前言1.1背景随着现代化学工业的迅猛发展和人们生活水平的不断提高，环境污染与能源短缺成为了21世纪人类面临的最大问题和挑战。