[发明专利]一种血管结构富铜双功能催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种血管结构富铜双功能催化剂及其制备方法，本催化剂以Cu原子百分比不低于72%的二元非晶合金为前驱体，通过利用标准电极电位低于‑2.3 V（vs.标准氢电极）的活性元素来降低脱合金条件，以避免剧毒氢氟酸及外加电压的使用，实现常温合成，具体步骤包括：选用Cu及一种低腐蚀电位活性元素原料，通过真空电弧炉制备铜合金熔锭；将铜合金熔锭真空加热完全熔化喷射至高速旋转的铜辊表面上得到非晶合金带；脱合金后于无水乙醇中保存。本发明制得的催化剂中毛细血管状Cu₂O径向尺寸10~20 nm，与多孔Cu空间互通，具有优异的光、声催化性能。

技术领域

本发明涉及于纳米材料制备及废水处理技术领域，具体涉及一种血管结构富铜双功能催化剂及其制备方法。

背景技术

Cu₂O/Cu是一种极具发展潜力的复合催化材料，其在工业废水处理方面具有较大的优势，究其原因如下：（1）Cu₂O是典型的窄带隙（E_g = 2.0 ~ 2.2 eV）半导体材料，易被激发产生电子-空穴对，催化活性大；（2）作为强芬顿活性元素，Cu要比Fe稳定得多，其同时具有良好的芬顿效果和催化稳定性；（3）Cu₂O与Cu复合后，催化合成效果显著，即存在半导体催化与非均相芬顿之间的协同作用，可大大提升催化反应效率。常见的催化剂制备方法有水热法、沉淀法、溶胶凝胶法等。然而，这些方法的制备工艺往往比较复杂，反应条件十分苛刻，不利于实现大批量工业生产。相比之下，脱合金法简单高效，且不会受限于严格的实验条件。但是目前的报道仍存在不足之处，主要在于所选用的前驱体合金中活性元素的标准电极电位偏高（高于-2 V（vs. 标准氢电极）），如Al（Al/Al³⁺：-1.662 V（vs. 标准氢电极））、Ti（Ti/Ti²⁺：-1.630 V（vs. 标准氢电极））、Zr（Zr/Zr⁴⁺：-1.553 V（vs. 标准氢电极））、Hf（Hf/Hf⁴⁺：-1.550 V（vs. 标准氢电极））、Mn（Mn/Mn²⁺：-1.185 V（vs. 标准氢电极））、Ni（Ni/Ni²⁺：-0.257 V（vs. 标准氢电极））、Sn（Sn/Sn²⁺：-0.138 V（vs. 标准氢电极））等，致使前驱体材料的脱合金条件变得非常苛刻，要么需要使用毒性巨大的氢氟酸（可透过人体皮肤直接腐蚀骨骼），要么需要施加电压（由于难以实现大量合金同时被加电压，生产效率会急剧下降），同时还需要配合高温条件，包括脱合金过程中的加热以及后续热处理等，由此增加了设备上的成本以及安全隐患。而且由于选用的活性元素的标准电极电位偏高，前驱体合金的腐蚀活性会受较大影响，因此如要通过脱合金制出结构通透的理想材料，合金中活性元素原子百分比一般需超过30%。然而，活性元素原材料价格往往偏高，如其在合金中占比偏大会显著增加材料使用成本，而且合金中Cu含量的相应减少会影响到合金的非晶形成能力与抗氧化能力，从而大大增加非晶合金随时间发生晶化与氧化的倾向，使前驱体难以无损储存，不利于其在使用上的合理安排。除此之外，活性元素的标准电极电位偏高会造成前驱体合金腐蚀活性的不足，从而使脱合金所形成多孔Cu的通透性变差，Cu₂O无法向多孔Cu内部自由生长，最终导致Cu₂O与Cu之间存在明显的分界，使废水降解方面的应用仅停留在光催化的层面上。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对上述技术问题，本发明提供一种血管结构富铜双功能催化剂及其制备方法，该方法是通过利用标准电极电位低于-2.3 V（vs. 标准氢电极）的活性元素来降低前驱体的脱合金条件，以此避免氢氟酸和外加电压的使用，实现全程常温合成。另外，该方法所涉及的前驱体合金中Cu元素含量占比不低于72%，由此可降低材料使用成本、增加前驱体合金的非晶形成能力与抗氧化能力。制得的毛细血管状Cu₂O与纳米多孔Cu在三维空间上完全互通，同时展现出优异的光催化性能与声催化性能。

2.技术方案：