活性炭纤维织构体表面复合Cu2O的制备及其性能研究

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进入21世纪,解决能源问题和环境问题,谋求社会可持续发展逐渐成为人类的共识。随着各种新能源的研究和开发,如何更有效的储存和利用能源、构建分散能源,显得尤为重要。同时,以人为本的环境保护意识的回归,推动着人们积极从事环境污染治理。在众多先进材料的探索过程中,碳材料和半导体材料脱颖而出。碳基材料丰富的孔隙结构很早就应用于物理吸附;近年来,它的高比表面积和双电层储能原理在电极材料方面得到新的应用,并促进了柔性器件的开发应用。而半导体材料基于自身特殊的能带结构,在光电转换和光催化降解领域的研究成果同样令人瞩目。  本论文设计构造以活性炭织构体为基底、表面包覆氧化亚铜薄膜的复合体系,评估该复合体系的柔性特征,并探索该复合材料的光电性能和脱色性能。  选用市售纯棉织物为原料,采用高温碳化法制备活性炭织构体(ACFN),该织构体秉承棉织物编织结构,可反复扭转、弯曲,具有一定的拉伸性能。通过电化学沉积法和水热法在ACFN表面包覆Cu2O。电沉积制备Cu2O薄膜,受沉积液pH、电解液温度、沉积时间等参数的影响。在pH=9、温度为60℃、沉积时间为10min条件下可以得到ACFN表面致密包覆的纯净Cu2O薄膜层,Cu2O晶粒大小约为0.5μm、呈三面金字塔形、结晶度高。水热制备的Cu2O薄膜,受反应物浓度、温度、反应时间等参数的影响。在醋酸铜浓度为0.05M、温度为180℃条件下可以得到ACFN表面包覆完整、均匀致密的Cu2O薄膜层。  ACFN/Cu2O复合材料能吸收利用可见光中波长最长的红光,对光功率和光波长较为敏感。随着光功率从5mW/cm2上升到100mW/cm2,其光电流密度也随之由0.1mA/cm2上升到1.2mA/cm2;在光功率均为20mW/cm2的蓝光和红光照射下,ACFN/Cu2O复合材料的光电流密度分别为0.02mA/cm2和0.25mA/cm2;拉伸20%后的ACFN/Cu2O复合材料,保持良好的光电响应性能,光电流密度增大将近10%;经180次反复间歇光照测试,复合材料的光电流密度稳定在0.15mA/cm2左右。  ACFN/Cu2O复合材料体现出对甲基橙溶液优良的降解效果。对甲基橙溶液初次光照4h后脱色率高达96.2%;重复使用十次后脱色率仍保有81.9%,体现出良好的可重复利用性;对较低浓度的甲基橙溶液脱色速率较快,对浓度不高于10mg/L时,1.5h脱色率达到80%以上,浓度过高会降低ACFN/Cu2O复合材料的脱色效率。ACFN/Cu2O复合材料对亚甲基蓝溶液脱色4h后,脱色率只有41.2%;加入双氧水后,改变了原体系的降解机理,4h脱色率大幅提高到93.4%。  本论文探索了活性炭网状织构体表面沉积半导体材料的研究,为活性炭材料功能化应用提供了更多的可能性。论文获得的复合材料体系也为光电器件的构建,以及环境污染的治理,提供了一种可能的新型材料开发思路。
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