df-101s集热式恒温加热磁力搅拌器制备氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的方法

 

　　技术领域

 

　　本发明属于新材料领域，具体涉及一种df-101s集热式恒温加热磁力搅拌器制备氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的方法。

 

　　背景技术

 

　　制备具有高性能理想的多组分纳米复合材料面临着巨大的挑战，因为需要各个组分协同作用，复合后的多组分材料性能可以达到多倍增加的效果。氧化亚铜是一种优良的光收集半导体，具有低成本和环境兼容性。研究表明，氧化亚铜具有光催化氧化性能，但是氧化亚铜在光催化中，光生电子空穴分离能力差，载流子的迁移能力也有限，并不是理想的光催化剂。

 

　　等离子体共振作为能量输入是一种促进光驱动化学转化的可持续方法，但等离子体需要金属纳米结构的帮助，这种结构能够将光集中到纳米级的体积中。这可以导致产生强烈的电场，高能(“热”)电子和空穴，正是这种高能的热电子，可以促进光驱化学转化，打破催化反应的限制环节。铜，作为一种具有等离子共振的材料，具有成本低廉，吸光性能相对较好等优点。

 

　　碳点作为一种环境友好、原料广泛的零维碳基材料，可以提高载流子迁移率，同时具有一定的还原性，是一种绿色，具有潜力的催化剂。但是碳点单独作为光催化剂，催化活性差，目前有很多研究通过与半导体材料复合来弥补一元催化剂催化活性的不足。

 

　　芳香胺的氧化，特别是邻苯二胺，已经被应用于金属离子的检测、导电聚合物的制备、农药和染料等领域。邻苯二胺是一种无色、无荧光的化合物，在催化剂存在下，可被分子氧或过氧化氢氧化，形成以2,3-二胺基吩嗪为主要氧化产物的聚合体。由于芳香胺的氧化是多电子参与的反应，三元复合材料，可以结合甚至放大各组分的性能优势，在光照下会产生更多的光生载流子，并且加快光生载流子的迁移，从而起到催化反应速率成倍增加的效果。但是目前，仍然缺少合成氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的制备方法。

 

　　发明内容

 

　　本发明的目的是解决氧化亚铜在光催化中，光生电子空穴分离能力差，载流子的迁移能力有限的技术问题，提供一种新型的氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的制备方法，制备出的光催化材料具有优异的光氧化活性。

 

　　为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

 

　　氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的制备方法，采用以下步骤：

 

　　步骤1将2.0～3.0g碳点粉放在研钵中，研磨0.5～1.0小时，然后在研磨后的碳点粉中加入无水乙醇，配制浓度为1.6～2.5g/L的溶液，搅拌分散均匀后，放入干燥箱，进行干燥，重复上述步骤，直到溶液pH为6.6～7.4，再次放入干燥箱干燥，得到碳点粉末；

 

　　步骤2将步骤1得到的碳点粉末倒入N，N-二甲基甲酰胺溶液中，用磁力搅拌器搅拌0.5～1.0小时，得到碳点浓度为0.5g/L～1.0g/L的混合溶液；

 

　　步骤3取步骤2得到的混合溶液amL，加入bmL的蒸馏水，在磁力搅拌器上混合搅拌，其中：a:b＝(20～32):(3.5～5)；

 

　　步骤4在步骤3得到的混合溶液中加入浓度为2.0g/L～3.0g/L的铜盐，并放入集热式恒温加热磁力搅拌器中，在30℃～35℃，频率20～27KHz下超声搅拌1～1.5小时，得到碳点-铜盐混合溶液；

 

　　步骤5把步骤4得到的碳点-铜盐混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜，在155℃～175℃下保温2～5小时，然后自然冷却至室温；离心处理后得到沉淀物，将沉淀物用水和乙醇交替洗涤后放入真空干燥箱中进行干燥，最终得到氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂。

 

　　所述碳点粉依据专利“利用煤质沥青制备多色发光可调碳点的方法”，专利号为ZL201610534465.4，采用甲酸与双氧水选择性刻蚀煤沥青获得。

 

　　所述铜盐为氯化铜、硫酸铜、乙酸铜或乙酰丙酮。

 

　　本发明制备的氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂，具有高效催化氧化性能，可以用于催化氧化邻苯二胺，多巴胺等芳香胺，邻苯酚，对苯酚等多个领域。

 

　　附图说明

 

　　图1为氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的制备流程图；

 

　　图2为氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的X射线衍射图谱；

 

　　图3为氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的透射电镜照片；

 

　　图4为氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的X射线光电子能谱图；

 

　　图5为氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂催化氧化邻苯二胺(OPD)生成2,3-二胺基吩嗪(DAP)，在可见光照射下，OPD逐渐被催化氧化生成DAP的紫外-可见光吸收光谱测试结果；

 

　　图6为可见光照射下，不同浓度OPD，在等量氧化亚铜-碳点-铜催化剂的作用下，测量拟合得到的反应速率图。

 

　　具体实施方式

 

　　以下结合附图介绍本发明详细技术方案：

 

　　氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的制备方法，采用以下步骤：

 

　　步骤1将2.0～3.0g碳点粉放在研钵中，研磨0.5～1.0小时，然后在研磨后的碳点粉中加入无水乙醇，配制浓度为1.6～2.5g/L的溶液，搅拌分散均匀后，放入干燥箱，进行干燥，重复上述步骤，直到溶液pH为6.6～7.4，再次放入干燥箱干燥，得到碳点粉末；

 

　　步骤2将步骤1得到的碳点粉末倒入N，N-二甲基甲酰胺溶液中，用磁力搅拌器搅拌0.5～1.0小时，得到碳点浓度为0.5g/L～1.0g/L的混合溶液；

 

　　步骤3取步骤2得到的混合溶液amL，加入bmL的蒸馏水，在磁力搅拌器上混合搅拌，其中：a:b＝(20～32):(3.5～5)；

 

　　步骤4在步骤3得到的混合溶液中加入浓度为2.0g/L～3.0g/L的铜盐，并放入集热式恒温加热磁力搅拌器中，在30℃～35℃，频率20～27KHz下超声搅拌1～1.5小时，得到碳点-铜盐混合溶液；

 

　　步骤5把步骤4得到的碳点-铜盐混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜，在155℃～175℃下保温2～5小时，然后自然冷却至室温；离心处理后得到沉淀物，将沉淀物用水和乙醇交替洗涤后放入真空干燥箱中进行干燥，最终得到氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂。

 

　　所述碳点粉依据专利“利用煤质沥青制备多色发光可调碳点的方法”，专利号为ZL201610534465.4，采用甲酸与双氧水选择性刻蚀煤沥青获得。

 

　　所述铜盐为氯化铜、硫酸铜、乙酸铜或乙酰丙酮。

 

　　实施例1

 

　　氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的制备方法，如图1的制备流程图所示，采用以下步骤：

 

　　步骤1将2.0g碳点粉放在研钵中，研磨0.8小时，然后在研磨后的碳点粉中加入无水乙醇，配制浓度为2g/L的溶液，搅拌分散均匀后，放入干燥箱，进行干燥，重复上述步骤，直到溶液pH为7，再次放入干燥箱干燥，得到碳点粉末；

 

　　步骤2将步骤1得到的碳点粉末倒入N，N-二甲基甲酰胺溶液中，用磁力搅拌器搅拌1.0小时，得到碳点浓度为0.8g/L的混合溶液；

 

　　步骤3取步骤2得到的混合溶液amL，加入bmL的蒸馏水，在磁力搅拌器上混合搅拌，其中：a:b＝30:4.8；

 

　　步骤4在步骤3得到的混合溶液中加入浓度为2.5g/L的铜盐，并放入集热式恒温加热磁力搅拌器中，在30℃，频率25KHz下超声搅拌1.5小时，得到碳点-铜盐混合溶液；

 

　　步骤5把步骤4得到的碳点-铜盐混合溶液倒入聚四氟乙烯反应釜，在165℃下保温4小时，然后自然冷却至室温；离心处理后得到沉淀物，将沉淀物用水和乙醇交替洗涤后放入真空干燥箱中进行干燥，最终得到氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂。

 

　　所述碳点粉依据专利“利用煤质沥青制备多色发光可调碳点的方法”，专利号为ZL201610534465.4，采用甲酸与双氧水选择性刻蚀煤沥青获得。

 

　　所述铜盐为氯化铜、硫酸铜、乙酸铜或乙酰丙酮。

 

　　对由上述步骤制备获得的氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂进行X射线衍射扫描，获得X射线衍射图谱见图2。通过比对PDF卡片，特征吸收峰29.6°，36.4°，42.3°，61.4°和73.6°与Cu2OPDF#78-2076相对应，同时，43.3°，50.4°和74.1°与CuPDF#85-1326相对应。

 

　　氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的透射电镜照片如图3所示，图3表明形成了核壳结构的三元复合物。

 

　　图4为氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂的X射线光电子能谱，图4表明三元复合物中含有元素C、O、Cu，其中Cu来源于Cu2O和Cu，O一部分源于Cu2O，一部分源于碳点，C元素来源于碳点。

 

　　图5为氧化亚铜-碳点-铜三元复合光催化剂催化氧化邻苯二胺(OPD)生成2,3-二胺基吩嗪(DAP)，在可见光照射下，OPD逐渐被催化氧化生成DAP的紫外-可见光吸收光谱测试结果。

 

　　图6为可见光照射下，不同浓度的OPD，在等量氧化亚铜-碳点-铜催化剂的作用下，测量拟合得到的反应速率图。