来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2023/8/24 15:58:28
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FCSE | 前沿研究:三维有序介孔纤维素基碳气凝胶中氧化亚铜/氧化铜的有效贯穿及其高效光催化降解亚甲基蓝机制研究

论文标题:Cuprous oxide/copper oxide interpenetrated into ordered mesoporous cellulose-based carbon aerogels for efficient photocatalytic degradation of methylene blue(三维有序介孔纤维素基碳气凝胶中氧化亚铜/氧化铜的有效贯穿及其高效光催化降解亚甲基蓝机制研究)

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Rui Cui, Dongnv Jin, Gaojie Jiao, Zhendong Liu, Jiliang Ma, Runcang Sun

发表时间:15 Jul 2023

DOI:10.1007/s11705-023-2305-0

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阅读原文请点击“Cuprous oxide/copper oxide interpenetrated into ordered mesoporous cellulose-based carbon aerogels for efficient photocatalytic degradation of methylene blue”

背景及意义

随着工业的迅速发展,全球范围内染料废水的排放日益增多。废水中的有机污染物造成了水体污染,严重威胁到人类、动物和植物的生存。有效地去除废水中的有机污染物对于实现可持续发展具有重要意义。目前,常规的水处理方法包括物理吸附法、生物降解法、电化学氧化法等,但这些方法存在能耗高、效率低、二次污染严重等问题。光催化技术具有反应条件温和、环境友好、效率高、成本低等优势,被认为是降解水环境中的有机污染物最有前景的技术之一。然而,实现光催化降解有机染料的关键在于开发一种经济、环保、高效的光催化材料。基于此,本研究设计、构建了氧化亚铜/氧化铜贯穿纤维素基柔性碳气凝胶光催化剂(Cu2O/CuO@CA),并将其应用于光催化降解亚甲基蓝。

内容及主要结论

(1)Cu2O/CuO@CA的制备流程以及形貌表征如图1所示。SEM结果显示Cu2O/CuO@CA0.2具有垂直排列的层状结构,这种结构确保了材料的稳定性和柔性。同时,在SEM谱图中发现铜氧化物均匀地分布在有序的介孔纤维素基碳气凝胶中。BET结果表明Cu2O/CuO@CA0.2存在大量的介孔,比表面积为26.71 m2/g,显著高于CuO(7.79 m2/g)。FT-IR结果表明Cu2O和CuO存在于Cu2O/CuO@CA0.2中。图2为Cu2O/CuO@CA0.2的XRD和XPS表征结果。在Cu2O/CuO@CA0.2的XRD谱图中观察到Cu2O和CuO的特征峰,与FT-IR表征结果一致。XPS表征进一步证实了Cu+和Cu2+的存在。上述表征结果表明Cu2O/CuO@CA0.2成功制备。

(2)对Cu2O/CuO@CA0.2的光学性质进行了表征, Mott–Schottky结果显示Cu2O/CuO@CA0.2的平带电位分别为-0.98 V和-0.90 V。结合UPS表征结果计算得到Cu2O/CuO@CA0.2的带隙分别为1.84 eV和1.61 eV。光电流表征和EIS表征结果显示,Cu2O/CuO@CA0.2较CuO具有更高的光电流响应和更小的电阻,表明Cu2O/CuO@CA0.2具有更强的光生载流子的分离和迁移能力。

(3)单因素变量控制实验结果和反应动力学拟合结果发现,Cu2O/CuO@CA0.2光催化体系在温和的条件下可高效降解亚甲基蓝,在最佳反应条件下亚甲基蓝的降解率为99.09%。动力学拟合结果表明,降解过程符合一级反应动力学。

(4)为了进一步研究反应体系中的活性物种对光催化降解亚甲基蓝的影响,本工作进行了ESR表征和中毒实验,结果如图3所示。该反应体系产生了e-、·O2-、·OH、1O2四种活性物种,其中1O2是Cu2O/CuO@CA0.2光催化降解亚甲基蓝的主要活性物种。

图1 Cu2O/CuO@CA的制备示意图,Cu2O/CuO@CA0.2的SEM谱图和EDS谱图

图2 CuO和Cu2O/CuO@CA0.2的XRD谱图和Cu2O/CuO@CA0.2的XPS谱图

图3 Cu2O/CuO@CA0.2的ESR表征和中毒实验

亮点

通过导向冷冻干燥-可控煅烧策略制备了氧化亚铜/氧化铜贯穿纤维素基柔性碳气凝胶光催化材料。碳气凝胶的引入有效地防止了氧化亚铜/氧化铜纳米颗粒的聚集。Cu2O/CuO@CA0.2较CuO表现出更强的电荷转移能力和更低的光生载流子复合率,并实现高效光催化降解亚甲基蓝。

相关成果以“Cuprous oxide/copper oxide interpenetrated into ordered mesoporous cellulose-based carbon aerogels for efficient photocatalytic degradation of methylene blue”为题,已发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上(DOI: 10.1007/s11705-023-2305-0)。

作者及团队介绍

孙润仓(通讯作者),大连工业大学轻工与化学工程学院教授、博士生导师,国家级人才,973首席科学家(2009年)。长期从事木质纤维生物质三大组分清洁高效分离及转化为新材料、新能源及化学品方面的研究。发表JCR一区SCI收录论文565篇,EI收录论文60余篇,论文被正面引用5.5万余次,H因子96,国际会议特邀、大会及主题报告60余次。主编专著1部,参编英文专著36部和英国科学分离百科全书1部,授权发明专利154件。2014-2022年连续8年入选Elsevier中国高被引学者榜单及2018-2022年连续5年入选科睿唯安全球高被引科学家榜单,入选全球顶尖前10万科学家榜单。

马纪亮(通讯作者),大连工业大学轻工与化学工程学院副教授、博士生导师,中国科协“青年人才托举工程”,辽宁省“百千万人才工程”-“万”层次,大连市优秀青年科技人才,APM期刊青年科学家委员委员。主要研究领域为光/热催化生物质精炼、光催化产氢/二氧化碳还原、海水提铀等。发表SCI论文50余篇,参编中文专著1篇,申请国家发明专利20余件,授权12件,受理PCT国际专利3件。

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