Cu2O/贵金属复合材料的制备及其检测/降解污染物应用研究

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氧化亚铜(Cu2O)是一种窄带隙(2.17 e V)半导体材料,对可见光有良好响应。Cu2O制备成本低,拥有丰富可调节的形貌,可以大规模制备,因此在催化领域具有较大的实际应用前景。但是,单一Cu2O材料的载流子分离速率较低,催化效率不高。另外,单一半导体作为表面增强拉曼散射(SERS)基底其SERS增强能力也不足。贵金属纳米颗粒由于具有较强的局部表面等离子体共振(LSPR)效应,一直是SERS基底的首选。因此,设计Cu2O/贵金属复合材料,能够实现对染料污染物的SERS检测和催化降解一体化,具有广阔的应用前景。本研究以Cu2O为主体,引入贵金属Ag和Au构建了Cu2O/贵金属纳米复合材料,将其应用于染料污染物的降解和快速高效SERS检测。此外,为了实现材料可循环使用性,Fe3O4磁性材料也被引入到复合体系当中。获得的主要结果包括:(1)设计了Cu2O的壳层厚度可控的Au@Cu2O纳米复合材料,研究了壳层厚度对催化性能产生的影响。选取性能最佳的Au@Cu2O纳米复合材料,在其表面还原Ag纳米颗粒,成功制备出Au@Cu2O-Ag三元复合材料。探究Au@Cu2O-Ag纳米复合材料降解甲基橙(MO)的效果,结果表明在硼氢化钠(Na BH4)存在的条件下,Au@Cu2O-Ag纳米复合材料能在4 min内快速催化降解MO,并分析了相应的催化作用机理。同时证明Au@Cu2O-Ag纳米复合材料具有良好的可重用性和较高的稳定性。因此,设计的Au@Cu2O-Ag催化剂在快速去除有机染料污染物方面有很大应用潜力。(2)构建Au@Cu2O-Ag复合材料作为SERS基底,通过调整Ag纳米颗粒的数量对基底进行优化。利用时域有限差分法(FDTD)对基底电磁场增强进行模拟,同时结合报告分子的SERS信号峰位匹配指认结果,分析了SERS增强机制。该基底对污染物孔雀石绿(MG)的检出限低至10-9 M,符合的线性关系可为MG定量检测提供依据。经过六次自清洁能力测试后,该基底仍能满足对低浓度MG的检出。该基底SERS灵敏度高,有自清洁能力并且信号重现性好,极大地促进了绿色环保测试技术的发展,也为开发有机染料检测和降解的一体化多功能平台提供了新思路。(3)制备新型花状Fe3O4负载菱形十二面体Cu2O修饰Ag用作具有可回收能力的磁性Fe3O4/Cu2O-Ag多功能复合材料。在可见光照射下,该催化剂对染料污染物亚甲基蓝(MB)显示出高效的光催化活性。将材料投入六次循环使用中,催化剂对MB的降解率仍稳定在92.6%以上。研究了样品的光学性质和电荷转移能力,详细分析了光催化机制。此外,Fe3O4/Cu2O-Ag作为SERS基底检测MB污染物,检出限低至10-9 M,同时基底展示出高度的均一性。这种磁性多功能复合材料为有机染料的SERS检测和光降解的集成开辟了新的可能性。
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