摘 要

在日常生活和工业制造过程中，由于管理不善或意识不够，会对环境造成污染。为了解决这些污染问题，国家投入了很大的心血和努力。由此，发展相应的科技手段和技术来缓解甚至解决这些问题成为一大热点。目前实验室主要从利用太阳光光降解有机污染物为出发点，来开展研究工作，并取得了一系列的成果。其中，Cu₂O作为一种p型半导体，其带隙仅为2.2eV，对于可见光的响应很好，而不像常用的TiO₂（Eg≈3.1eV）只能利用紫外光，对太阳光的利用率很低。因此，最近几年针对Cu₂O的研究也在不断地开展着。本文采用简单的液相还原法，将Cu₂O和石墨烯以及C₃N₄进行复合，制备出Cu₂O/rGO和Cu₂O/C₃N₄复合体系，并对其结构与光催化性能进行表征。

本文从石墨烯的比例含量、模板剂（蛋白质）的种类、还原剂的含量、氮化碳的复合等方面入手，设计了一系列的对照实验。综合所有样的光催化测试结果之后，在还原剂方面，添加0.110g的抗坏血酸具有比较好的效果；在石墨烯的添加含量方面，50mg的石墨烯复合具有最佳的催化效果；在模板剂方面，天冬酸相比明胶有更好的效果；另外，发现氮化碳复合在添加天冬酸作为模板机时相比纯的Cu₂O来说，其催化效果也有着一定的提升。通过对测试样进行了综合表征，包含X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶转变红外光谱（FTIR）、紫外可见漫反射吸收光谱（UV-vis DRS）等。通过这些技术分析，给出了结构上的有力解释。

根据光催化的结果，20mg样品对40mL30mg/L的亚甲基蓝溶液的的降解率在60min时最大达到了68.4%，相比纯的Cu₂O的19.0%，提高了近2.6倍，因此有很大的可能可以投入到光催化降解有机污染物中，前景大有可望。

关键词：氧化亚铜；Cu₂O/rGO复合体系； Cu₂O/C₃N₄复合体系； 液相还原法； 光催化

Abstract

In the daily life and industrial manufacturing process, due to poor management or lack of consciousness, will cause pollution to the environment. In order to solve these pollution problems, the state has paid a lot of effort . Thus, the development of appropriate scientific and technological means and technology to alleviate and even solve these problems become a hot spot. At present, the laboratory mainly from the use of solar light degradation of organic pollutants as the starting point to carry out research work, and has achieved a series of results. Among them, Cu₂O as a p-type semiconductor, the band gap is only 2.2eV, the response to visible light is very good, rather than the commonly used TiO₂ (Eg ≈ 3.1 eV) can only use ultraviolet light, the utilization of sunlight low. Therefore, in recent years for the study of Cu₂O is also constantly carried out. In this paper, Cu₂O / rGO and Cu₂O / C₃N₄ composites were prepared by Cu₂O and graphene and C₃N₄ in a simple liquid phase reduction method. Their structures and photocatalytic properties were characterized.

In this paper, a series of controlled experiments were designed based on the proportion of graphene, the type of template (protein), the content of reducing agent and the combination of carbon nitride. After analys ing all the photocatalytic test results, 0.110 g of ascorbic acid was added in the presence of reducing agent, and 50 mg of graphene composite had the best catalytic effect in the addition of graphene. In the case of template , Asparagine compared to gelatin has a better effect; In addition, found that carbon nitride composite in the addition of aspartic acid as a template machine compared to pure Cu₂O, the catalytic effect has also been improved. (XRD), scanning electron microscopy (SEM), X - ray photoelectron spectroscopy (XPS), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), UV-visible diffuse absorption spectroscopy (UV-vis DRS) and so on. Through these technical analysis, giving a strong explanation of the structure.

According to the results of photocatalyst testing results, the degradation rate of 20mg sample to 40mL 30mg / L methylene blue solution reached 68.4% at 60min, which was nearly 2.6 times higher than that of pure Cu₂O. Therefore, it is very possible and promising that put the photocatalysts into the photocatalytic degradation of organic pollutants.

Key Words: Cuprous Oxide; Cu₂O/rGO composites; Cu₂O/C₃N₄ composites; Liquid phase reduction method; Photocatalysis

目录

第1章 绪论 3

1.1氧化亚铜(Cu₂O)纳米材料 3

1.1.1氧化亚铜的有关物化性质 3

1.1.2氧化亚铜的结构 3

1.1.3氧化亚铜的常见制备方法 4

1.2石墨烯材料的制备及复合 5

1.2.1 石墨烯材料的简介 5

1.2.2 石墨烯的制备 6

1.2.3 石墨烯复合材料 7

1.3氮化碳材料的制备及复合 8

1.3.1 氮化碳材料的简介 8

1.3.2 氮化碳的制备 8

1.3.3 氮化碳复合材料 9

1.4 光催化技术简介 9

1.4.1光催化作用机理 9

1.4.2光催化性能材料的研究现状 10

1.5 选题的目的和意义 11

第2章 实验试剂、仪器及测试方法 12

2.1 实验试剂 12

2.2 实验仪器 12

2.3 表征方法介绍 13

2.3.1 X射线衍射仪 13

2.3.2 扫描电子显微镜 13

2.3.3 X射线光电子能谱仪 14

2.3.4 傅里叶转变红外光谱仪 14

2.3.5紫外可见分光光度计 14

第3章 氧化石墨烯（GO）的制备及简单表征 15

3.1 改良的Hummers法制备氧化石墨烯 15

3.1.1 实验过程 15

3.2 实验结果分析 15

3.2.1 XRD表征 15

3.2.2实验中错误结果分析 16

第4章 Cu₂O/rGO纳米复合材料的制备及性能表征 19

4.1 引言 19

4.2 液相还原法制备Cu₂O/rGO纳米复合材料 19

4.3 还原剂含量不同对产物的影响 20

4.3.1 样品的XRD表征 20

4.3.2样品的SEM表征 20

4.4 石墨烯含量不同对产物的影响 21

4.4.1 样品的XRD表征 22

4.4.2样品的SEM表征 22

4.5 引入不同模板剂对产物的影响 23

4.5.1 样品的XRD表征 24

4.5.2 样品的SEM表征 24

4.5.3 样品的IR表征 25

4.5.4 样品的XPS表征 26

4.5.5 样品的光催化测试分析 26

第5章 Cu₂O/C₃N₄纳米复合材料的制备及结构性能表征 28

5.1 引言 28

5.2 液相还原法制备Cu₂O/C₃N₄复合体系 28

5.2.1 氮化碳的制备 28

5.2.2 复合体系的制备 29

5.3 模板剂不同对产物的影响 29

5.3.1 样品的XRD表征 30

5.3.2 样品的SEM表征 30

5.3.3 样品的UV-vis DRS表征 31

5.4 复合体系的光催化性能测试 32

第6章 结论 34

参考文献 35

致谢 36

第1章 绪论

1.1氧化亚铜(Cu₂O)纳米材料

1.1.1氧化亚铜的有关物化性质

氧化亚铜，分子式为Cu₂O，其分子量为143.09。氧化亚铜一般呈现黄色，但也有一些其他的颜色，例如，橙红，青黄，青黑，红褐色等等，这是由于制备方法的差异导致颗粒的粒径不一和形貌的不同。氧化亚铜的亲水性很差，但是在强酸或者弱酸的环境下，如添加盐酸、硫酸或者醋酸等强弱质子酸，就能发生歧化反应生成单质铜和含铜（Ⅱ）化合物，反应方程式如

Cu₂O H == Cu Cu² H₂O

另外，氧化亚铜在干燥的空气中能够稳定存在，但是在潮湿的环境下容易被氧化成黑褐色的二价的氧化铜，所以保存的环境要求比较严格。由于其所含的铜为一价，处于二价和零价的中间，所以能够被还原成铜单质，如在高温下利用还原性较强的铁铝锌等单质即可完成转化^[1]。

除此之外，氧化亚铜作为一种比较典型的p型半导体，其带隙约为2.2ev，对比于目前研究最广的TiO₂来说，其在可见光区响应很好，能够通过吸收光子能量产生电子-空穴对，故可以作为一种光催化剂来降解有机污染物或者光催化合成甲醇等能源物质。

1.1.2氧化亚铜的结构

氧化亚铜的晶体结构为赤铜矿型，在自然界中具有类似结构的物质很少。