CN112892535A - 用于VOC净化的CuxO/Cu反式光催化材料的制备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料制备和大气体环境污染治理的技术领域，具体涉及了用于VOC净化的CuxO/Cu反式光催化材料的制备。本发明采用简单的一步煅烧法制得CuxO/Cu反式光催化材料。原位生长的CuxO有效地将氧化铜粉末固定在泡沫铜的骨架之上，杜绝了在使用过程中由于空速引起的催化剂粉末的流失和扩散，这在一定程度上减少了固气催化模式下，催化剂粉末悬浮在空气中造成的颗粒物二次污染。通过光催化降解大气中挥发性有机污染物（VOCs）实验表明所制备的催化剂对于降解甲苯、甲醛具有优秀的光催化活性及稳定性，在300 W氙灯照射下对浓度为800 ppm的VOCs进行光催化降解，对甲苯降解在20 min达到90%，经过30次循环实验后反应活性仍能保持基本不变；对甲醛降解在10 min达到99%。本发明所用原料均廉价、无污染，制备工艺简单，制备成本低、能耗低，制得的催化剂可变形性好，能满足各种应用环境，易于大规模生产，经济效益和环保效益好，具有极为广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料制备和大气环境污染治理的技术领域，具体涉及用于VOC净化的CuxO/Cu反式光催化材料的制备及用于挥发性有机污染物净化处理的工艺。
背景技术
随着近年来空气质量的下降，室内外空气的净化逐渐成为公众聚焦的关键问题。在室温条件下，室内主要污染物为挥发性有机污染物（VOCs），表现出扩散能力强、释放缓慢且持续以及毒性强等特点。而建筑材料，消费品，家具，燃烧副产品和烹饪都会产生VOCs。同样随着工业废气的不断排放，室外VOCs的浓度也逐步攀升。但目前的VOCs净化处理技术受到降解效率低、稳定性差、难以形成可利用的器件以及处理成本等问题的制约，使得VOCs净化材料和净化工艺难以实际应用。所以针对这些问题开发出有利于室内外应用的VOCs净化处理材料和工艺意义重大。
泡沫铜是一种在铜基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型多功能材料，并且具有良好的导电性和延展性。氧化铜是一种窄带隙，光响应良好的光催化材料，但仍然有着光催化剂普遍存在的光利用率低的问题使其难以应用。而CuxO/Cu反式光催化材料利用基底大量的Cu具有很好的导电性，可以作为电子导体传导光生电子，使光生载流子空间分离，减少复合，增加光利用率。另一方面，原位生长的CuxO工艺有效地将氧化铜粉末固定在泡沫铜的骨架之上，杜绝了在使用过程中由于空速引起的催化剂粉末的流失和扩散，这在一定程度上减少了固气催化模式下，催化剂粉末悬浮在空气中造成的颗粒物二次污染。
发明内容
本发明旨在提供一种用于挥发性有机污染物净化处理以泡沫铜为铜源原位制备CuxO/Cu反式光催化材料的方法，该方法使用泡沫铜作为铜源在泡沫铜上原位合成CuxO/Cu反式光催化材料。本发明制备的光催化剂可应用于光催化氧化降解室内外挥发性有机污染物的处理以及挥发性有机污染物的工业排放。具体包括以下步骤：
一种用于挥发性有机污染物净化处理以泡沫铜为铜源原位制备CuxO/Cu反式光催化材料的方法，按照下述步骤进行：
步骤1、泡沫铜的选择与预处理：
选取市售泡沫铜，取一定量的市售盐酸用二次水稀释后取适量泡沫铜一同置于烧杯中超声洗涤，使用二次水冲洗所得泡沫铜，取一定量的二次水与上述泡沫铜置于烧杯中超声洗涤，使用无水乙醇冲洗所得泡沫铜，取一定量的无水乙醇与上述泡沫铜置于烧杯中超声洗涤，所得泡沫铜烘干保存备用。
步骤2、CuxO/Cu反式光催化材料的制备
将预处理好的泡沫铜置于马弗炉中煅烧，得到所述反式光催化剂。
步骤1中，所选泡沫铜厚度为1.5 mm~5 mm，面积可根据实际情况选取任意大小及形状。
步骤1中，市售盐酸用量(mL)、二次水用量(mL)与泡沫铜面积(cm2)比为1：3：6。
步骤1中，预处理超声洗涤所用二次水用量(mL)、无水乙醇用量(mL)与泡沫铜面积(cm2)比为2：2：3。
步骤1中，所述真空干燥温度条件为50~60 ℃，时间为2~5 h。
步骤2中, 所述煅烧方式为在50~500 ℃下恒温保持30~300 min，锻烧升温速率均为2.3~8.3 ℃/min。
本发明制得的CuxO/Cu反式光催化材料在光反应条件下可高效催化氧化降解室内外、工业排放挥发性有机污染物。
本发明的有益效果为：
（1）本发明首次制备出CuxO/Cu反式光催化材料,其所用原料价格低廉，制备过程简单、无污染、反应时间短、能耗少、经济效益高,在解决挥发性有机物污染方面有良好的应用前景,有利于大规模生产和利用。
（2）使用泡沫铜作为铜源原位生长CuxO解决了粉体材料在固气反应当中粉体材料的固定问题，而泡沫铜作为基底材料时其优异的导电性将会充当电子导体，促进光生电荷的传输，使光生电子与空穴实现空间分离，减少光生载流子复合，因此制备的CuxO/Cu反式光催化材料可作为太阳光响应优良的光催化剂，在光催化氧化VOCs领域应用前景广阔。
（3）CuxO/Cu反式光催化材料在VOCs净化处理过程中，材料可改变面积形状的特点使催化材料突破传统粉体材料的限制，能适应复杂多变的反应环境。
附图说明
图1为实施例中所制备的样品的扫描电镜图，a为预处理后的泡沫铜,b、c为CuxO/Cu反式光催化材料；
图2 为实施例中所制备的样品的X射线衍射图谱，a为预处理后的泡沫铜,b为CuxO/Cu反式光催化材料；
图3为实施例中所制备的样品的X射线光电子能谱，a为预处理后的泡沫铜的Cu 2p轨道；b为CuxO/Cu反式光催化材料的Cu 2p轨道。
图4为实施例中所制备的在300 W氙灯照射下对浓度为800 ppm的VOCs光催化降解效果图，a为甲苯降解，b为甲醛降解，c为苯的降解。
图5为实施例中所制备的在300 W氙灯照射下对浓度为800 ppm的甲苯光催化降解循环效果图。
具体实施方式
所用到的泡沫铜是通过以下方法预处理得到的：将厚度为2.5 mm的泡沫铜裁剪为30mm*30 mm的正方片，取20 mL HCl和60 mL水置于烧杯中混合，取12片泡沫铜浸泡在上述稀HCl中超声20 min，用二次水将超声后的泡沫铜冲洗三遍，将冲洗干净的泡沫铜置于二次水中超声20 min，用无水乙醇将超声后的泡沫铜冲洗三遍，将冲洗干净的泡沫铜置于无水乙醇中超声20 min，将预处理后的泡沫铜真空烘干2 h后取出，密封备用。
制备CuxO/Cu反式光催化材料：将 预处理后的泡沫铜置于马弗炉中以5 ℃/min的升温速率，在200 ℃的温度下保持2 h后自然降温至室温后，保存备用。
图1中SEM结果表明预处理后的泡沫铜骨架表面整洁平整，CuxO原位生长后以小颗粒的形态生长在泡沫铜的骨架之上；
图2中结果可以得到泡沫铜存在三个衍射峰，但由于CuxO/Cu反式光催化材料中CuxO存在于泡沫铜表面含量较少，所以CuxO/Cu的XRD结果中并未出现明显的CuxO衍射峰；
图3中X射线光电子能谱中，明显可以看出CuxO/Cu的铜通过分峰呈现出0、+1、+2价的价态；
图4是在300 W氙灯照射下对浓度为800 ppm的VOCs光催化降解效果图。从图中可见，对甲苯降解在20 min达到90%；对甲醛降解在10 min达到99%；对于苯来说3 h能够降解90%。
图5为实施例中所制备的在300 W氙灯照射下对浓度为800 ppm的甲苯光催化降解循环效果图，从结果中可以看出该材料在经过30次循环后，反应活性仍然能够保持在85%以上。
Claims (7)
1.用于VOC净化的CuxO/Cu反式光催化材料的制备，其特征在于，包括以下几种步骤：
步骤1、泡沫铜的选择与预处理：
选取市售泡沫铜，取一定量的市售盐酸用二次水稀释后取适量泡沫铜一同置于烧杯中超声洗涤，使用二次水冲洗所得泡沫铜，取一定量的二次水与上述泡沫铜置于烧杯中超声洗涤，使用无水乙醇冲洗所得泡沫铜，取一定量的无水乙醇与上述泡沫铜置于烧杯中超声洗涤，所得泡沫铜烘干保存备用；
步骤2、CuxO/Cu反式光催化材料的制备
将预处理好的泡沫铜置于马弗炉中煅烧，得到所述反式光催化剂。
2. 根据权利要求1中所述的用于VOC净化的CuxO/Cu反式光催化材料的制备，其特征在于，步骤1中，所选泡沫铜厚度为1.5 mm~5 mm，面积可根据实际情况选取任意大小及形状。
3.根据权利要求1中所述的用于VOC净化的CuxO/Cu反式光催化材料的制备，其特征在于，步骤1中，市售盐酸用量(mL)、二次水用量(mL)与泡沫铜面积(cm2)比为1：3：6。
4.根据权利要求1中所述的用于VOC净化的CuxO/Cu反式光催化材料的制备，其特征在于，步骤1中，预处理超声洗涤所用二次水用量(mL)、无水乙醇用量(mL)与泡沫铜面积(cm2)比为2：2：3。
5. 根据权利要求1中所述的用于VOC净化的CuxO/Cu反式光催化材料的制备，其特征在于，步骤1中，所述真空干燥温度条件为50~60 ℃，时间为2~5 h。
6. 根据权利要求1中所述的用于VOC净化的CuxO/Cu反式光催化材料的制备，其特征在于，步骤2中, 所述煅烧方式为在50~500 ℃下恒温保持30~300 min，锻烧升温速率均为2.3~8.3 ℃/min。
7.根据权利要求1-6任一项所述方法制得的CuxO/Cu反式光催化对室内外及工业废气中对挥发性有机污染物催化氧化的用途。
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