摘要：针对传统光催化剂回收困难、组装不易、稳定性差等问题，制备了性能优良的铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂，并对光催化剂的X射线衍射（XRD）、光催化活性、自由基、循环实验进行测试，分析其在空气污染治理中的应用前景，为实际空气污染提供理论依据。研究结果表明：铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂具有较强的降解效果、矿化率高；具有较强的循环降解能力，10次光催化降解后矿化能力仅下降4.1%，去除二甲苯能力仅下降5.5%；在空气污染治理测试140 min时二甲苯和甲醛基本被降解完毕，160 min时3种污染物全部被降解改善效果明显。
关键词：光催化剂,CeO2/Cu2O/Cu,降解,空气污染治理
0引言
随着科学技术的不断发展和工业化程度的不断加深，人类生活水平得到了极大改善，但是随之而来的是巨大的能源问题和环境问题[1]。其中环境问题与人类生活息息相关，水资源质量和空气质量是两个尤为重要的方面。空气中包含多种污染物，比如颗粒物、微生物和挥发有机化学物质（VOCs）[2-3]。传统的空气净化对于降解VOCs成本高且不彻底，对提升空气质量造成阻碍。光催化剂对于降解VOCs具有效率高、成本低的优点，但是传统光催化剂存在回收困难、组装不易、稳定性差等问题[4-5]。针对上述问题，本文以铜网为基底，制备了一种高效降解VOCs的三维分级结构铜网基CeO2/Cu2O/Cu固体异质结光催化剂，对其性能进行测试和分析，并研究了其在空气污染治理中的应用。
1铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂的制备
制备光催化剂分为三大部分：Cu2O/Cu纳米线阵列制备、CeO2/Cu2O异质结光催化剂制备和CeO2/Cu光催化剂制备。对于Cu2O/Cu纳米线阵列制备，要先对铜网进行裁剪处理并在装有乙醇、丙酮和去离子水的烧杯中超声清洗以去除表面残留污渍，清洗后冷风吹干。在烧杯中加入10 g NaOH和2.28 g（NH4）2SO4溶解，将清洗过的Cu加入上述溶液并静置反应20 min，铜网会生成Cu（OH）2纳米线。取出铜网利用烘箱50℃过夜，在管式炉内充满氮气流，400℃煅烧3 h，煅烧完毕后即可得到Cu2O/Cu纳米线。
对于CeO2/Cu2O异质结光催化剂制备，将0.05 mol Ce（NO3）3·6H2O和0.025 mol C6H12N4溶解在30 mL的离子水中，充分搅拌20 min。搅拌后导入50 mL反应釜，铜网浸没。利用100℃烘箱反应2h，之后用去离子水和乙醇清洗再于60℃烘箱过夜。
为了与上述光催化剂对比，还需进行CeO2/Cu光催化剂的制备。首先，将0.025 mol六亚甲基四胺和0.05 mol硝酸铈混合得到CeO2前驱液，将铜网浸没后利用100℃烘箱反应2 h，之后用去离子水和乙醇清洗再于60℃烘箱过夜备用。
2铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂性能测试与分析
将制备好的铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂在石英反应器中进行测试，利用氙灯模拟太阳光，用微量注射器注射计算好的二甲苯、甲苯、甲醛等污染物，降解的同时对反应器内的CO2和污染物浓度进行监测。此外，对光催化剂的X射线衍射（XRD）、光催化活性、自由基、循环实验进行测试。
2.1铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂X射线衍射（XRD）测试
通过对光催化剂的XRD测试，可以得到3种光催化剂的XRD图谱，如图1所示。3种光催化剂都是直接在铜网上生成，因此都具有较强的Cu单质特征峰，分别在43.2。、50.4。和74.1。处出现。除了单质特征峰之外，还出现了Cu2O特征峰，分别出现在36.4。、42.3。和61.3。处，并归属于（111）、（200）和（220）晶体表面。水热反应后，Cu2O特征峰依旧存在，且强度没有下降，但出现了CeO2的特征峰，分别在28.5。、33.7。、47.4。和56.4。处出现，归属于（111）、（200）、（220）和（311）晶体表面。以上现象说明合成的3种光催化剂Cu2O/Cu、CeO2/Cu2O/Cu和CeO2/Cu都各自具备独立的特征峰，没有其他的杂质峰，表明合成方法有效，符合预期。
2.2铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂活性测试
以最常见的甲醛为例进行分析，如图2所示为CeO2/Cu2O/Cu对甲醛的光催化降解效率曲线。采用实时监控CO2的方法，通过数据可以看出，Cu2O/Cu、CeO2/Cu2O/Cu和CeO2/Cu都有较强的甲醛矿化能力，但Cu2O/Cu和CeO2/Cu需要12 min将甲醛完全去除，而CeO2/Cu2O/Cu光催化剂仅需6 min就可以将甲醛完全去除。
CeO2/Cu2O/Cu独特的异质结构，通过光的催化可以产生更多电荷，加速载流子迁移速度并具备较高的分离率，产生更多的活性氧自由基，使得光催化剂在去除甲醛方面具有较强的降解效果、矿化率高，可以快速且有效将有毒VOCs降解为无毒的CO2。
2.3铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂自由基测试
光催化剂在反应时，光催化剂自由基以电子-空穴形式吸附在材料表面，并由H2O和O2氧化反应生成。自由基具有较强的氧化能力，可以吸附和降解空气中的有毒物质，在空气污染治理中起到重要作用。如图3所示，为Cu2O/Cu、CeO2/Cu2O/Cu和CeO2/Cu 3种光催化剂的OH的ESR光谱，可以看出，3种光催化剂中，CeO2/Cu2O/Cu响应强度最高，这说明CeO2/Cu2O/Cu包含最多的活性氧自由基，对于光催化氧化反应具有促进作用。相反，CeO2/Cu包含的活性氧自由基最少，效率相对也最低。总之，有毒VOCs中包含的OH可以由包含丰富活性氧自由基的CeO2/Cu2O/Cu有效降解。
2.4铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂循环实验测试
要想光催化剂大规模应用于实际空气污染治理中，需要进一步测试其耐久性。为了测试CeO2/Cu2O/Cu光催化剂的循环耐久性能，选取二甲苯为污染物，通过模拟光照进行多次循环测试实验。图4所示为铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂连续10次光催化降解二甲苯效果图，可以看出10次光催化降解后二甲苯的矿化能力下降4.1%，去除二甲苯能力下降5.5%。因此所制备光催化剂具有较强的循环降解和可再生能力能力。
3铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂在空气污染治理应用研究
目前看，空气污染治理还是依赖于吸附法，主要使用的为沸石、活性炭等多孔物质。但上述方法并不能够从根本上解决污染物的存在，同时增加了空气污染治理的成本。本文所研究的铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂使用分解污染物的方法，可以从根本上去除污染物。
在空间大小为60 m3的室内进行测试实验，空气中存在的污染物为甲醛、二甲苯和甲苯的污染混合物，每种污染物的体积分数都为10×10-6，如图5所示为铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂去除空气中污染物的降解效率图。加入铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂进行降解，每隔20 min抽取空气一次进行检测，同时设置对比实验，不使用铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂且每隔20 min抽取空气一次进行检测。结果显示，无光催化剂降解时，污染物浓度缓慢降低，10次空气抽取即200 min后污染物浓度降低20%左右；而使用光催化剂时，降解效果明显，140 min时二甲苯和甲醛基本被降解完毕，160 min时三种污染物全部被降解。以上数据都说明了铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂具备优秀的降解污染物能力。
4结论
本文针对传统光催化剂回收困难、组装不易、稳定性差等问题，制备了铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂，并分析铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂的性能。主要结论如下：
1）以铜网为基底，生成Cu2O纳米线阵列，通过水热法在纳米线阵列上耦合CeO2颗粒，最终形成铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂。对光催化剂的XRD测试，说明制备方法合理有效。
2）铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂具备独特的异质结构，在光的催化下产生更多电荷和活性氧自由基，具有较强的降解效果、矿化率高，可以且有效降解有毒VOCs。
3）10次光催化降解后铜网基CeO2/Cu2O/Cu光催化剂对二甲苯矿化能力下降4.1%，去除二甲苯能力下降5.5%，因此具备良好的循环利用和可再生能力。
4）在60 m3的室内进行降解实验，140 min时二甲苯和甲醛基本被降解完毕，160 min时3种污染物全部被降解，在空气污染治理中具备较强的应用前景。
参考文献
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