氧化亚铜/石墨烯纳米复合材料简易制备及其催化应用研究

姚有智 叶舟 李超 高天铱

氧化亚铜/石墨烯纳米复合材料简易制备及其催化应用研究

姚有智 叶舟 李超 高天铱

（芜湖职业技术学院材料工程学院，安徽芜湖，241003）

在常温下用水合肼作为还原剂、硫酸铜作为原料，制备了氧化亚铜/石墨烯纳米复合材料。电镜扫描显示，在不同反应条件下，氧化亚铜分别以梭形或方形形貌分散在石墨烯表面。在可见光照射条件下，氧化亚铜/石墨烯纳米复合材料对品红酸具有良好的光催化降解性能。

氧化亚铜；石墨烯；纳米复合材料；光催化

1 绪论

铜在地壳中储量较为丰富，具有优异的物理和化学性能，相比于重金属材料其价格较低，因此铜及其复合材料作为催化剂得到了广泛应用。氧化亚铜（Cu2O）是一种优良的电子中间物质，具有可逆氧化还原活性，因而引起了研究者的强烈关注。各种各样的Cu2O纳米结构，如多面体中空结构[1]、纳米立方体、多孔纳米球和纳米线[2]广泛地用作光催化材料；同时，氧化亚铜（Cu2O）因具有表面积大和催化活性优异的特点而被应用于电池和传感器[3]。

然而，由于Cu2O纳米颗粒易氧化，纳米Cu2O的广泛应用受到限制[4]。因此，开发一种新型固体支撑材料，合成具有具有稳定性和高催化性能的Cu2O纳米复合材料引起广泛关注。石墨烯作为一种二十一世纪新开发的二维碳基材料，因具有表面积大、电学性能优良、高热稳定性的特点在许多领域都有应用，如储能、化学传感器、光电器件等，同时也是多种类型催化剂的理想载体[5]。

关于Cu2O石墨烯纳米复合材料合成方法的报道很多，但其合成过程中往往需要比较苛刻的条件，如高温、设备昂贵、操作复杂等[6]。因此，我们研究出一种常温下用N2H4作为还原剂经过简单操作而合成梭形和方块形Cu2O石墨烯纳米复合材料的方法。

2 实验部分

2.1 仪器和试剂

仪器：SHA-C水浴恒温振荡器；85-2全不锈钢型磁力搅拌器；紫外光谱仪（Hitachi U-3010）；扫描电子显微镜（SEM）（HitachiS-4800）；X射线粉末衍射（XRD）（日本，XRD-6000型），Cu-Κα（λ=0.15406 nm），扫速为0.05°／S，测量范围2θ为20°到90°。

试剂：GO（用Hummer方法[7]合成）；二次蒸馏水。所有化学药品的级别都为分析纯。除了特别说明之外，所有实验均在室温下完成。

2.2 梭形和方块形Cu2O石墨烯复合材料的制备

取制备好的石墨烯溶液加10毫升，加微量碱液调节pH值，使pH = 8；加200 μL的硫酸铜0.05 M；缓慢加入0.1M氢氧化钠200 μL；用微型移液枪逐滴加入200 μL水合肼（N2H4）。整个过程在振动或搅拌的条件下进行，约一个小时完成。然后，静置24小时，经过离心分离和真空干燥，最后获得样品。不同Cu2O石墨烯复合材料的形貌可以通过改变以下两个条件而获得：第一，采用不同的碱液来进行调节；第二，改变外力条件。如图1所示，合成过程主要通过三步完成。

图1 不同形貌的Cu2O石墨烯纳米复合材料制备过程

3 结果与讨论

3.1 纳米复合材料形貌表征

图2a和图2b中出现很多的褶皱是被水合肼还原了的石墨烯二维片状结构，被称为还原石墨烯。还原石墨烯被认为是一种完美的高效催化剂载体[8]。在石墨烯表面，可以清晰地观察到大量分散且形状分别为梭形和方块形的颗粒，这充分说明实验成功制备了不同形貌的纳米颗粒。

图2 Cu2O石墨烯纳米复合材料SEM形貌表征

3.2 纳米复合材料组分表征

我们用X射线衍射（XRD）对纳米复合材料样品进行了表征，如图3所示。强的衍射峰出现在2θ 分别达到 28.5°、36.6°、43.3°、50.5°、61.5°和74.2°的时候，分别对应（110）、（111）、（200）、（220）、（311）和（222）的晶面，这说明合成的纳米颗粒属于立方晶系（JCPDS，78-2076）[9]。然而，在40°到43°间有些小的弱峰，可能是由于含有极少量的CuO而引起的[10]。XRD表征说明实验成功制备了极为纯净的Cu2O石墨烯纳米复合材料。

图3 Cu2O石墨烯纳米复合材料XRD表征

XRD谱图经处理后，按化学计量法 (已归一化)重复3次，最后获得纳米化合物的结构比例表达式，如表1所示。

表1 纳米复合材料元素含量百分比

3.3 Cu2O石墨烯纳米复合材料光催化应用探究

为了证明Cu2O石墨烯纳米复合材料是否具有良好的催化性能，我们探究了纳米复合材料对有机染料光催化降解的情况。以品红酸为例，在光照条件下，在品红酸中加入制备好的纳米复合材料，搅拌使之混合均匀。10分钟后取样，通过品红酸紫外吸收光谱对比可以看出（如图4所示），经过10分钟光照，在纳米复合材料催化降解后品红酸的特征峰（545 nm）强度急剧下降，这说明品红酸浓度显著下降，由此证明Cu2O石墨烯纳米复合材料具有潜在的优良催化性能。

图4 Cu2O石墨烯纳米复合材料光催化降解品红酸-紫外吸收光谱图

结论

我们采用比较简单的方法合成了具有不同形貌的Cu2O石墨烯纳米复合材料，且整个过程在常温下进行，这为其它碳基功能材料的制备提供了新的思路。作为优良的催化剂，Cu2O石墨烯纳米复合材料具有潜在的应用价值，值得进一步研究。

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On Simple Preparation and Catalytic Application of Cuprous Oxide / Graphene Nanocomposites

YAO Youzhi & YE Zhou & LI Chao & Gao Tianyi

At room temperature, cuprous oxide / graphene nanocomposites (Cu2O/RGO) were prepared with hydrazine hydrate (N2H4) as reducing agent and copper sulfate as raw material. It was found that cuprous oxide dispersed on the surface of graphene in the form of shuttle or square under the different reaction conditions through scanning electron microscopy. In the condition of visible light, Cu2O/RGO nanocomposites have good photocatalytic degradation performance for fuchsin acid.

cuprous oxide; graphene; nanocomposites; photocatalysis

O621.3

A

1009-1114（2020）03-0034-03

2020-04-01

姚有智（1974—），安徽芜湖人，博士研究生，芜湖职业技术学院副教授，研究方向为纳米材料制备及其应用。

研究项目：校级人才项目“碳基纳米复合功能材料的制备及其应用（wzyrc201803）”；省级重点科研项目“石墨烯负载金属纳米复合材料的制备及其电化学性能研究（KJ2018A0696）。

文稿责编 吴为亚