基于泡沫铜的多孔碳均匀负载Cu3P纳米颗粒的制备及其光催化降解染料性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210273

摘要/Abstract

摘要：

为了开发活性高、易回收的光催化剂，采用多步热解法制备了基于泡沫铜的多孔碳均匀负载Cu₃P纳米颗粒。在泡沫铜（FC）基底原位生长铜基金属-有机框架晶态材料（Cu-MOF），通过热解处理使得泡沫铜表面覆盖了均匀负载于碳材料的Cu₂O/Cu纳米颗粒（Cu₂O/Cu@NPC@FC-400）。对该材料进行磷化处理得到目标光催化剂Cu₃P@NPC@FC-400。利用X射线粉末衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外-可见漫散射光谱（UV-Vis DRS）、X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）等表征材料的组成和形貌。以罗丹明B（Rh B）溶液作为模拟废水，探究其光催化性能及机理。结果发现，Cu₃P@NPC@FC-400材料对罗丹明B染料具有良好的光催化性能，在3 h内染料去除率可达94%。该材料便于回收，循环利用10次后，光催化活性保持不变。此外，该材料对于含有7种染料的复杂体系也具有优异的光降解性能。该催化剂具有稳定性高、回收简便的优势，可用于处理含有多种染料的废水。

关键词: 金属-有机框架, 泡沫铜, 磷化, 染料, 光催化降解

Abstract:

To develop the photocatalyst with high activity and easy recyclability， uniformly loaded Cu₃P NPs in N-doped porous carbon （NPC） supported by foamy copper （FC） was synthesized through a multi-step calcination method. FC was modified by in-situ growth of copper-based metal-organic framework （Cu-MOF） crystals， which was further calcinated to obtain Cu₂O/Cu NPs loaded NPC on the surface of FC （Cu₂O/Cu@NPC@FC-400）. The desired photocatalyst Cu₃P@NPC@FC-400 can be achieved after phosphate treatment. The composition and morphology of the obtained material were characterized by X-ray powder diffraction （PXRD）， infrared spectroscopy （IR）， ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy （UV-Vis DRS）， X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） and scanning electron microscopy （SEM）. The photocatalytic performance of Cu₃P@NPC@FC-400 was studied in the simulated dye wastewater of Rhodamine B （Rh B）， and the degradation mechanism was explored as well. It is found that the catalyst exhibits good photocatalytic activity for Rh B with a high dye removal up to 94% within 3 h. The photocatalyst is convenient for recovery， and its activity remains after 10 runs. Moreover， Cu₃P@NPC@FC-400 shows excellent photodegradation performance for multi-component wastewater containing 7 dyes. The photocatalyst has the advantage of good stability and easy recovery， which can be used for treating wastewater of various dyes.

Key words: Metal-organic framework, Foamy copper, Phosphate treatment, Dye, Photocatalytic degradation

中图分类号:

O643.3

刘盛杰, 叶永杰, 刘银怡, 林淑满, 谢浩源, 刘文婷, 许伟钦. 基于泡沫铜的多孔碳均匀负载Cu₃P纳米颗粒的制备及其光催化降解染料性能[J]. 应用化学, 2022, 39(7): 1090-1097.

Sheng-Jie LIU, Yong-Jie YE, Yin-Yi LIU, Shu-Man LIN, Hao-Yuan XIE, Wen-Ting LIU, Wei-Qin XU. Preparation of Uniformly Loaded Cu₃P Nanoparticles in Porous Carbon Based on Copper Foam and Their Photocatalytic Performance for Dye Degradation[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2022, 39(7): 1090-1097.

图/表 6

图1 FC、Cu2O/Cu@FC-400、Cu3P@NPC@FC-400材料的PXRD图谱

Fig.1 PXRD patterns of Cu3P@NPC@FC-400， Cu2O/Cu@FC-400 and FC

图2 （A，D） Cu-MOF@FC、（B，E） Cu2O/Cu@NPC@FC-400和（C，F） Cu3P@NPC@FC-400的SEM图

Fig.2 SEM images of Cu-MOF@FC （A， D）， Cu2O/Cu@NPC@FC-400 （B， E）， and Cu3P@NPC@FC-400 （C， F）

图3 （a）暗置、（b）无催化剂、（c）FC-400、（d）Cu2O/Cu@NPC-400、（e）Cu2O/Cu@NPC@FC-400、（f）P@FC-400、（g） Cu3P@NPC-400和（h） Cu3P@NPC@FC-400光催化降解Rh B

Fig.3 Photocatalytic degradation of Rh B by （a） dark，（b） catalyst-free，（c） FC-400，（d） Cu2O/Cu@NPC-400，（e） Cu2O/Cu@NPC@FC-400，（f） P@FC-400，（g） Cu3P@NPC-400 and （h） Cu3P@NPC@FC-400

图4 Cu3P@NPC@FC-400光催化解降解Rh B染料溶液的颜色变化

Fig.4 Color change of Rh B during the photocatalytic degradation by Cu3P@NPC@FC-400

图5 Cu3P@NPC@FC-400的循环回收实验

Fig.5 Recycling experiment of Cu3P@NPC@FC-400

图6 紫外-可见图谱监测混合染料的降解过程A.3种染料混合； B.5种混合染料； C.7种染料混合

Fig.6 Degradation process monitored by UV-Vis spectroscopy of mixed dyesA. three kinds of dyes， B. five kinds of dyes， C. seven kinds of dyes

参考文献 25

1	KEISER D. The missing benefits of clean water and the role of mismeasured pollution［J］. J Assoc Environ Res， 2019， 6： 669-707.
2	WANG Y， LI X， HU X L， et al. A novel 3D cobalt（Ⅱ） metal-organic framework to activate peroxymonosulfate for degradation of organic dyes in water［J］. J Solid State Chem， 2020， 289： 121443-121448.
3	AYADI I， SOUISSI Y， JLASSI I， et al. Chemical synonyms， molecular structure and toxicological risk assessment of synthetic textile dyes： a critical review［J］. J Dev Drugs， 2016， 5： 1000151-1000207.
4	HASAN Z， CHO D W， ISLAM G J， et al. Catalytic decoloration of commercial azo dyes by copper-carbon composites derived from metal organic frameworks［J］. J Alloy Compd， 2016， 689： 625-631.
5	AAZAM E S， MOHAMED R M. Environmental remediation of direct blue dye solutions by photocatalytic oxidation with cuprous oxide［J］. J Alloy Compd， 2013， 577： 550-555.
6	CHO D W， JEON B H， CHON C M， et al. Magnetic chitosan composite for adsorption of cationic and anionic dyes in aqueous solution［J］. J Ind Eng Chem， 2015， 28： 60-66.
7	董振，刘亮，郝艳，等. 偶氮染料废水处理技术的研究进展［J］. 水处理技术， 2017， 43（4）： 6-10.
	DONG Z， LIU L， HAO Y， et al. Research progress of azo dye wastewater treatment technology［J］. Technol Water Treat， 2017， 43（4）： 6-10.
8	SADRI M S， ALAVI M M R， ARAMI M. Coagulation/flocculation process for dye removal using sludge from water treatment plant： optimization through response surface methodology［J］. J Hazard Mater， 2010， 175 （1）： 651-657.
9	陈平，魏金枝，许建超，等. 电化学氧化与还原联合处理偶氮染料废水的效能［J］. 哈尔滨理工大学学报， 2015， 20（1）： 105-109.
	CHEN P， WEI J Z， XU J C， et al. Efficiency of electrochemical oxidation and reduction combined treatment of azo dye wastewater［J］. J Harbin Univ Sci Technol， 2015， 20（1）： 105-109.
10	焦亮，孙培德，王如意，等. 偶氮染料酸性橙7脱色菌的分离、鉴定及其脱色性能研究［J］. 环境科学学报， 2018， 38（3）： 1016-1023.
	JIAO L， SUN P D， WANG R Y， et al. Isolation， identification and decolorization performance of acid orange 7 decolorizing bacteria［J］. Acta Sci Circum， 2018， 38（3）： 1016-1023.
11	CRINI G， LICHTFOUSE E. Advantages and disadvantages of techniques used for wastewater treatment［J］. Environ Chem Lett， 2019， 17（1）： 145-155.
12	LIU Z， VUNJAK N G. Modeling tumor microenvironments using custom-designed biomaterial scaffolds［J］. Curr Opin Chem Eng， 2016， 11： 94-105.
13	YI F Y， ZHU W， DANG S， et al. Polyoxometalates-based heterometallic organic-inorganic hybrid materials for rapid adsorption and selective separation of methylene blue from aqueous solutions［J］. Chem Commun， 2015， 51（16）： 3336-3339.
14	YUE X Z， YI S S， WANG R W， et al. Novel earth-abundant Cu₃P with TiO₂ architectured high efficient “P-N” heterojunction nanophotocatalyst for water splitting hydrogen evolution［J］. Nanoscale， 2016， 8： 17516- 17523.
15	GUO F， HUANG X L， CHEN Z H， et al. Construction of Cu₃P-ZnSnO₃-g-C₃N₄ p-n-n heterojunction with multiple built-in electric fields for effectively boosting visible-light photocatalytic degradation of broad-spectrum antibiotics［J］. Sep Purif Technol， 2021， 265： 118477-118487.
16	IOANNIDI A， PETALA A， FRONTISTIS Z. Copper phosphide promoted BiVO₄ photocatalysts for the degradation of sulfamethoxazole in aqueous media［J］. J Environ Chem Eng， 2020， 8（5）： 104340-104351.
17	LI G Y， TU J G， WANG M Y， et al. Cu₃P as a novel cathode material for rechargeable aluminum-ion batteries［J］. J Mater Chem A， 2019， 7（14）： 8368-8375.
18	NI S B， ZHENG B， LIU J L， et al. Self-adaptive electrochemical reconstruction boosted exceptional Li⁺ ion storage in a Cu₃P@C anode［J］. J Mater Chem A， 2018， 6（39）： 18821-18826.
19	ZHONG M， QU S Y， ZHAO K， et al. Bimetallic metal-organic framework derived ZnO/Ni_0.9Zn_0.1O nanocomposites for improved photocatalytic degradation of organic dyes［J］. Chem Select， 2020， 5： 1858-1864.
20	XU W Q， LIN C C， LIU S J， et al. Effect of pyrolytic temperature over MOFs templated Cu NPs embedded in N-doped carbon matrix on hydrogenation catalytic activities［J］. Inorg Chem Commun， 2020， 115： 107859-107865.
21	XU W Q， HE S， LIN C C， et al. A copper based metal-organic framework： synthesis， modification and VOCs adsorption［J］. Inorg Chem Commun， 2018， 92： 1-4.
22	HU L， HUANG Y M， ZHANG F P， et al. CuO/Cu₂O composite hollow polyhedrons fabricated from metal-organic framework templates for lithium-ion battery anodes with a long cycling life［J］. Nanoscale， 2013， 5（10）： 4186-4190.
23	WANG R， DONG X Y， DU J， et al. MOF-derived bifunctional Cu₃P nanoparticles coated by a N，P-codoped carbon shell for hydrogen evolution and oxygen reduction［J］. Adv Mater， 2018， 30（6）： 1703711-1703720.
24	周奇，吴宇恩. 热解法制备MOF衍生多孔碳材料研究进展［J］. 科学通报， 2018， 63（22）： 2246-2263.
	ZHOU Q， WU Y E. Research progress on prepartion of MOF-derived porous carbon materials through pyrolysis［J］. Chinese Sci Bull， 2018， 63（22）： 2246-2263.
25	陈德强，吴振斌，成水平，等. UV/H₂O₂体系光降解邻苯二甲酸二丁酯研究［J］. 环境科学研究， 2005（6）： 52-54.
	CHEN D Q， WU Z B， CHEN S P， et al. Study on photodegradation of dibutyl phthalate in UV/H₂O₂ system［J］. Res Environ Sci， 2005（6）： 52-54.

[1]	杨雪贤, 张健, 谷志刚. 表面配位金属-有机框架薄膜HKUST-1在光电应用中的研究进展[J]. 应用化学, 2022, 39(7): 1013-1025.
[2]	张晓丽, 彭玉美, 王庆伟, 秦利霞, 刘肖霞, 康诗钊, 李向清. 纳米Ag/TiO₂纳米管阵列基底构建及表面增强拉曼散射光谱检测与降解盐酸四环素[J]. 应用化学, 2022, 39(7): 1147-1156.
[3]	徐一鑫, 王爽, 全静, 高婉婷, 宋天群, 杨梅. 二硫化钼量子点/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其光催化降解有机染料、四环素和Cr（VI）[J]. 应用化学, 2022, 39(5): 769-778.
[4]	曹维锦, 白璐, 武兰兰, 李敬德, 宋术岩. 多壳层中空镍钴双金属磷化物纳米球用于高效电催化析氧[J]. 应用化学, 2022, 39(4): 666-672.
[5]	崔博洋, 武宏大, 余宗宝, 耿忠兴, 任铁强, 史春薇, 杨占旭. 磷化钼基催化剂的制备及其电解水中的应用[J]. 应用化学, 2022, 39(3): 439-450.
[6]	张依帆, 史彦东, 郭昊, 高健, 魏巍, 柳美华, 郑春柏, 王博伟, 邓鹏飏. 金属有机框架基防冰膜的制备及其性能[J]. 应用化学, 2021, 38(7): 800-806.
[7]	赵星鹏, 王娅乔, 高生旺, 朱建超王国英, 夏训峰, 王洪良, 王书平. BiOBr/CeO₂复合材料的制备及光催化降解磺胺异恶唑[J]. 应用化学, 2021, 38(4): 422-430.
[8]	武彧, 刘家成. 倒插式配位自组装染料敏化太阳能电池的制备与表征[J]. 应用化学, 2021, 38(11): 1494-1502.
[9]	蒙阳, 杨婵, 彭娟. 基于铁、钴、镍金属磷化物纳米催化剂的碱性条件下电解水制氢的研究进展[J]. 应用化学, 2020, 37(7): 733-745.
[10]	林泳岑, 董雪, 马玉芹, 赵朗. 具有染料选择吸附性的衍生于沸石咪唑酯骨架-67的NiCo-层状双氢氧化物设计与合成[J]. 应用化学, 2020, 37(6): 683-694.
[11]	霍朝晖, 杨晓珊, 陈晓丽, 张刚, 尹伟, 曹曼丽, 史蕾, 邱燕璇. 纳米银/二维石墨相氮化碳/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其光催化降解抗生素[J]. 应用化学, 2020, 37(4): 471-480.
[12]	邱娜, 史霄, 杨艺一, 宋男男, 李佳佳, 葛振英, 张磊. 双亲性三甲川菁染料的合成及抗结直肠癌活性[J]. 应用化学, 2020, 37(11): 0-0.
[13]	邱娜, 史霄, 杨艺一, 宋男男, 李佳佳, 葛振英, 张磊. 双亲性三甲川菁染料的合成及抗结直肠癌活性[J]. 应用化学, 2020, 37(11): 1262-1267.
[14]	周耀, 罗紫晴, 周佳伶, 袁霖, 李中燕. 基于二肽的相选择胶凝剂对水中油污和有毒染料的清污性能[J]. 应用化学, 2020, 37(11): 1276-1284.
[15]	黑嘉慧, 杨莉宁, 李珺. 噻吩醛缩乙二胺席夫碱及其配合物的合成与光催化性能[J]. 应用化学, 2019, 36(8): 949-957.

基于泡沫铜的多孔碳均匀负载Cu₃P纳米颗粒的制备及其光催化降解染料性能

Preparation of Uniformly Loaded Cu₃P Nanoparticles in Porous Carbon Based on Copper Foam and Their Photocatalytic Performance for Dye Degradation

RichHTML

PDF

补充材料

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 6

参考文献 25

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价