水热条件下铜的氧化物和硫化物形貌的可控合成及其催化性质的研究

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无机微纳米材料的物理和化学性质与其形貌和尺寸息息相关,微纳米材料形貌的可控合成对研究其性质与形貌和尺寸的关系有着重要的作用。可以采用以下两种方法控制微纳米材料的形貌:一是控制微纳米材料的生长参数,二是通过模板的限制作用。本文分别采用以上两种方法对控制铜的氧化物和硫化物微纳米材料的形貌做了相关研究,得到了若干很有意义的研究结果。本文的主要研究内容和结果如下:通过简单的微波辅助加热方法实现了一系列Cu2O微晶形貌的可控合成。在反应过程中,通过调节反应溶剂正丁醇和水的比例分别合成了具有单分散的八面体、截角八面体、立方八面体、截角立方体和立方体形貌的Cu2O微晶。在微波水热中,正丁醇和水的介电损耗可以用来衡量反应媒介的加热效率。由于正丁醇和水的介电损耗不同,因此改变溶剂中正丁醇和水的比例可以调节反应媒介的加热效率。加热效率可能影响晶体沿着不同方向的生长速率,进而影响Cu2O晶体的形貌。改变反应媒介中正丁醇和水的比例可以控制Cu2O微晶的形貌从完美的八面体、一号截角八面体、二号截角八面体、立方八面体、截角立方体到完美的立方体,从而实现了通过微波辅助加热的合成方法对Cu2O微晶的形貌进行可控合成,为开发具有特殊形貌的Cu2O微晶新的合成途径提供了一个有效的方法。与此同时还考察了不同形貌的Cu2O微晶在可见光下对有机溶剂甲基橙的光吸收和光催化能力。实验结果表明,八面体形貌Cu2O微晶比其他形貌Cu2O微晶表现更好的光催化活性,这是由于八面体形貌具有更多催化活性较高的{111}晶面。采用水热合成方法,通过控制反应溶剂中正丁醇和水的比例成功合成了多种具有多分枝形貌的Cu2O微晶,包括六分枝形貌、一号十四分枝形貌、二号十四分枝形貌和八分枝形貌。值得特别一提的是,通过上述方法得到了一种新奇的具有十四分枝形貌的Cu2O微晶。这些结果为具有多分枝形貌的Cu2O微晶可控合成提供了简单的制备方案。另外,用已经合成的具有多分枝形貌的Cu2O微晶作为牺牲模板,采用牺牲模板法合成了一系列具有多分枝形貌的Cu7S4微笼。这些研究为具有多分枝形貌的Cu2O微晶和Cu7S4微笼的设计、晶体控制生长以及形貌可控合成提供了一个重要的合成方案。这也为其他无机材料的合成和应用起到促进作用。实验同时考察了不同形貌的Cu7S4微笼在可见光下对有机溶剂亚甲基蓝的光吸收和光催化能力。实验结果表明,具有十四分枝形貌的Cu7S4微笼比具有六分枝形貌的Cu7S4微笼表现出更好的光催化活性。通过乙醇辅助的牺牲Cu2O模板的方法合成了具有纳米孪生结构的十四分枝形貌的Cu7S4微笼。在光催化降解亚甲基蓝溶液过程中,具有纳米孪生结构的Cu7S4微笼比不具有纳米孪生结构的Cu7S4微笼表现出更好的光催化活性。这是因为Cu7S4微笼所具有的纳米孪生结构,可以为自由电子提供良好的运输途径,减少电子及空穴的复合率,进而延长了电子和空穴对的寿命。本论文所合成的具有十四分枝形貌的Cu7S4微笼,不仅丰富了铜的硫化物的结构,同时为合成具有纳米孪生结构的理解提供了很好的例子。我们推测这种具有纳米孪生结构的中空笼状结构将为研究他们在其他领域的潜在应用,如电学、光学、传感器等等,提供了一个有效途径。总而言之,本文希望通过微波辅助加热方法或者水热合成方法这些对环境较为温和的绿色环保、简便快捷、低能耗的合成手段,来控制合成不同形貌Cu2O微晶,进而用已经合成的具有新形貌的Cu2O微晶作为牺牲模板合成Cu7S4中空微笼和具有纳米孪生结构的Cu7S4中空微笼,并考察他们相应的光催化活性。
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