催化学报

催化学报 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (8): 1321-1325.DOI: 10.1016/S1872-2067(15)60877-4

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不同晶面Cu2O光催化还原Cr(VI)的性能

秦邦, 赵玉宝, 李辉, 邱亮, 樊造   

  1. 南华大学化学化工学院, 湖南衡阳421001
  • 收稿日期:2015-01-11 修回日期:2015-04-22 出版日期:2015-07-29 发布日期:2015-07-30
  • 通讯作者: 赵玉宝
  • 基金资助:

    厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室开放基金(201214); 湖南省教育厅科学研究基金(13B100).

Facet-dependent performance of Cu2O nanocrystal for photocatalytic reduction of Cr(VI)

Bang Qin, Yubao Zhao, Hui Li, Liang Qiu, Zao Fan   

  1. School of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, Hunan, China
  • Received:2015-01-11 Revised:2015-04-22 Online:2015-07-29 Published:2015-07-30
  • Supported by:

    This work was supported by the Open Fund of the State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces, Xiamen University (201214) and the Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department (13B100).

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摘要：

Cr(VI)具有高毒性和强诱变致癌性, 且能稳定存在于自然界中, 对人类和自然环境危害极大. 而容易沉淀和吸附在固体上的Cr(III)毒性较小, 约为Cr(VI)的千分之一. 因此, 将Cr(VI)还原为Cr(III)是处理含铬废水的有效途径. 光催化还原是一种环境友好的新型技术, 基于可见光的催化还原处理含Cr(VI)废水能够在常温常压下进行, 具有经济、高效、清洁和无二次污染等特点而受到广泛关注. 采用适宜的晶面生长控制剂, 调变不同晶面的相对生长速率, 可制得暴露不同晶面、具有多种形貌的Cu2O. 将这些具有不同晶面的Cu2O用于光催化氧化降解有机污染物的研究表明, Cu2O的光催化氧化性能与其所暴露的晶面密切相关, 其表面残留的用作晶面生长控制剂的表面活性剂对其催化性能有重要影响. 相对而言, 将Cu2O用于光催化还原Cr(VI)的研究较少, 关于晶面导向剂油酸对其光催化还原Cr(VI)性能的影响尚未见报道.
本文采用液相法, 首先合成了仅暴露Cu2O{100}晶面的立方体(Cub), 进而通过控制晶面导向剂油酸的用量, 制得仅外露Cu2O{111}晶面的八面体(OctO)和仅暴露Cu2O{110}晶面的十二面体(RhdO), 继而再将OctO和RhdO在C3H6-O2等混合气中于215 ℃处理30 min, 通过此温和氧化除去表面油酸, 获得了具有洁净表面的八面体(Oct)和十二面体(Rhd)的Cu2O. 采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对其物性特征进行了表征. 在LED可见光辐照下, 对比评价了具有不同晶面的Cu2O光催化还原Cr(VI)的性能, 研究了暴露晶面及晶面导向剂油酸等对Cu2O光催化还原Cr(VI)的影响.
XRD研究表明, 采用液相法及温和氧化处理可制得纯相的Cu2O, 其XRD图中无Cu及CuO等杂峰出现. SEM观测结果表明, 所得Cu2O样品形貌均一性较好, 采用丙烯选择氧化去除表面油酸后, Cu2O的形貌无明显改变, 仅其外表面略有粗化. FT-IR分析进一步说明, 去除表面油酸后, 其物相仍为Cu2O, 没有出现CuO的红外特征吸收.
动力学研究结果显示, Cu2O光催化还原Cr(VI)具有准一级反应动力学特征, 晶面导向剂油酸的存在能够在一定程度上减缓光腐蚀和酸腐蚀, 有助于较长时间内保持Cu2O光催化还原活性, 而对Cu2O光催化速率没有影响. 以单位比表面积速率常数为比活性指标, 不同晶面Cu2O光催化还原Cr(VI)的活性次序为{111} > {110} > {100}. Cu2O不同晶面的原子配位情况差异明显, 且{100}晶面的表面能较低, 由此可较好解释具有不同晶面Cu2O光催化还原Cr(VI)活性的不同. 八面体Cu2O的{111}面上同时存在配位饱和与配位不饱和Cu, 而菱形十二面体Cu2O的{110}面上只有配位饱和Cu, 立方体Cu2O的{100}面上只有配位不饱和O. 相对于Cu2O的{100}晶面, 具有更高表面自由能的{111}和{110}晶面易于产生光生电子-空穴对, 从而表现出较{100}晶面更高的光催化活性. 而Cu2O{111}晶面表现出更高光催化活性的原因可能是: Cu2O{111}晶面上存在的不饱和Cu可作为活性位点, 在某种程度上有利于光生电子-空穴对分离, 减少光生电子-空穴对复合, 从而提高光催化还原速率.

关键词: 六价铬, 晶面, 光催化, 可见光, 氧化亚铜

Abstract:

Cu2O octahedrons, rhombic dodecahedrons and cubes were prepared and evaluated for the reduction of hexavalent chromium under visible light irradiation. The specific activity of Cu2O with different crystal planes followed the order {111} > {110} > {100}. The surface capping ligands of octahedral and rhombic dodecahedral Cu2O have no blocking effect on their photocatalytic performance.

Key words: Hexavalent chromium, Facet, Photocatalysis, Visible light, Cuprous oxide