CuO和Au纳米结构协同增强Cu2O立方体光催化活性和稳定性
氧化亚铜(Cu2O)是一种重要的P型半导体, 并且具有无毒、廉价和易于控制合成等优点, 被广泛应用于光催化领域.然而, 低的光催化性能极大地限制了它的应用, 特别是氧化亚铜立方体表面存在的障碍层严重阻碍了光生载流子传输, 导致其几乎没有光催化活性. 构建异质结构是提高氧化亚铜光催化性能的有效手段, 然而, 目前氧化亚铜异质结构的光催化性能和稳定性仍然需要大幅地提高. 我们的前期研究发现, 通过乙二胺在氧化亚铜表面轻微氧化刻蚀形成CuO/Cu2O异质结构, 在提高一定的光催化活性的同时能够大幅提高其稳定性. 另外, 在氧化亚铜表面负载金纳米颗粒也能够有效地增强氧化亚铜的光催化性能. 因此, 协同氧化铜和金纳米颗粒应该能够同时大幅地提高氧化亚铜的光催化活性和稳定性.本文利用乙二胺对氧化亚铜立方体进行轻微的氧化刻蚀, 然后光还原负载金纳米颗粒, 成功地制备了Au/CuO/Cu2O异质结构. TEM和SEM结果表明, 氧化铜和金纳米结构随机均匀地分散在氧化亚铜表面. XPS数据表明, Au/CuO/Cu2O异质结构表面的二价铜主要来自生成的氧化铜纳米结构. 表面残存的N元素表明, 氧化铜由一价铜与乙二胺形成的配合物转变而来. 在可见光下光催化降解甲基橙实验结果显示, Au/CuO/Cu2O异质结构的光降解速率大幅地提高. 通过表观量子效率的估算发现, Au/CuO/Cu2O异质结构光催化活性是纯Cu2O的123倍, Au/Cu2O的5.4倍. 光电流测试中, Au/CuO/Cu2O异质结构的光电流也都明显高于Cu2O, Au/Cu2O和CuO/Cu2O. 不仅如此, Au/CuO/Cu2O异质结构在8个循环后还能维持80%的光催化活性, 远高于Au/Cu2O的5个循环. 由此可见, Au/CuO/Cu2O异质结构具有增强的光催化活性和稳定性.通过电子顺磁共振(ESR)自由基测试发现, 光催化降解过程中, 羟基自由基是主要的氧化物种, 而且Au/CuO/Cu2O异质结构的自由基信号强度明显高于Cu2O和CuO/Cu2O, 这也说明金和氧化铜的双异质结构提高了体系载流子分离效率. PL数据进一步证实了这一结论. 另外, 比表面积和暗吸附实验数据表明, 轻微的表面积增加不会显著地改变三元异质结构的吸附和光催化性能. 根据UV-Vis和价带XPS数据, 我们认为轻微光吸收变化和价带改变不会显著影响异质结构的光催化活性. 因此, 金和氧化铜纳米结构协同增强光生载流子分离效率, 是提高氧化亚铜光催化活性的主要原因. 首先, Au/Cu2O异质结构通过肖特基结和金颗粒的表面等离子共振效应提高光生载流子的分离效率. 其次, 氧化铜纳米结构不仅能与氧化亚铜形成II型异质结构, 而且还能够作为保护层提高氧化亚铜的稳定性. 另外, 氧化铜纳米结构生成过程中去除了表面障碍层, 减少空穴在氧化亚铜上的累积, 进而提高氧化亚铜的稳定性. 总之, 氧化铜和金纳米结构的协同效应显著提高了体系的光催化活性和稳定性.
氧化亚铜、光催化活性、稳定性、表面工程、载流子分离
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National Natural Science Foundation of China21573263, 21872157, 51402346;National Key Research and Develop‐ment Program of China from Ministry of Science and Technology of China2016YFE0105700;Jiangsu Provincial Fundamental Research Foundation of ChinaBK20151236;Henan provincial co‐operation and open foundation60;China Postdoctoral Science Foundation 2018M632984. 基金来源: 国家自然科学基金21573263, 21872157, 51402346;科技部国家重点研发计划2016YFE0105700;江苏省基础研究计划BK20151236;河南省合作开放基金60;中国博士后科学基金资助项目2018M632984
2019-11-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
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