PDF《纳米晶 CuAl2O4 的合成、表征及光催化性能研究》

1 实验 1.1 实验原料 实验所用原料均为分析纯,包括硝酸铝(Al(NO3)3・9H2O , 上海振欣公司),硝酸铜(Cu(NO3)2・3H2O , 上海国药公司),三乙醇胺(C6H15NO3,上海国药公司) ,硝酸(HNO3,上海 国药公司)和甲基橙(C14H14ON3SNa,上海试剂三 厂) . 1.2 样品制备和表征 将摩尔比 1:2 的硝酸铜和硝酸铝溶于水中,搅拌下 加入三乙醇胺(三乙醇胺和金属离子的摩尔比为 3:1) . 混合均匀, 加酸调节至溶液透明并加热到

225 ℃. 溶液 蒸发沸腾转化为褐色膨胀的粘稠胶体, 同时产生大量棕 色气体,最后留下疏松的黑灰色粉末(前驱体, precursor) .将前驱体研细,放入马弗炉中焙烧

2 h,冷 却得 CuAl2O4 粉体. 用SDT

2960 Simultaneous 热分析仪(美国 TA 公司) 在N2 气氛下对前驱体粉末进行 TG-DTA 分析, 升温速率为 10℃/min;

采用 D8-Advance 型X射线 衍射仪 (德国布鲁克 AXS 公司, Cu 靶, λ = 1.5405?, 管压

40 kV,管流

40 mA)分析粉体物相结构;

用JEM-2010 透射电子显微镜(日本电子 JEOL)进行 样品形貌表征;

用Shimadzu UV-3100 型分光光度计 (日本岛津株式会社)分别以 BaSO4 和蒸馏水为参 比测定 CuAl2O4 的紫外-可见漫反射光谱和甲基橙溶 液的吸光度;

用LG10-2.4A 高速离心机(北京医用 离心机厂)分离光催化反应液. 浓度较低时, 在波长

460 nm 有最大吸光度的甲 基橙溶液的脱色率可用朗伯-比尔定律来计算:

0 1 100% E D E = ? * (1) 式中:D 为染料在反应中的脱色率,E0 为染料 在一定波长处的最大吸光度,E 为光照一定时间后 染料在该波长处的吸光度.

2 结果与讨论 2.1 前驱体的热重-差热分析 图1所示为 CuAl2O4 前驱体在 N2 气氛下的 TG-DTA 图.从图中可知,前驱体的质量损失主要 包括

3 个过程:第1阶段的质量损失可能是吸附水 的脱除,对应在 DTA 曲线上出现了吸热峰;

第2阶段质量损失发生在

300 ~ 600℃,在DTA 曲线表现为 宽泛的放热峰,主要是金属-三乙醇胺形成的络合物和 硝酸根的氧化分解;

第3段质重损失在 600℃ ~

1000 ℃之间.当反应完全后,粉末的质量损失程度减小, TG 曲线趋于平稳, DTA 曲线上无明显吸/放热现象. 其中 841℃的小放热峰表明可能有新相生成. 整个热分解过程产生了大量的气体,如CO、 CO

2、NO2 和水蒸气,反映在 TG 曲线中约有 60%的 质量损失. 图1CuAl2O4 前驱体的 TG-DTA 曲线 Fig.

1 TG-DTA curves of CuAl2O4 precursor 2.2 物相分析 图2所示为 CuAl2O4 前驱体及产物的 XRD 谱. 由图可知,800℃已有 CuAl2O4 晶相形成,900℃产 物的晶化峰根据 JCPDS(33-0448)归属,全部来源于 CuAl2O4 晶相. 从图上可以看出,焙烧产物中不仅有 CuAl2O4, 而且出现了 CuO (2θ=35.5°和38.7°是CuO 两处较强 纳米晶 CuAl2O4 的合成、表征及光催化性能研究 第3卷第4期2008 年4月265 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 的特征峰) ,直到 900℃才形成单一 CuAl2O4 晶相. 采用其它制备方法[7] 也出现 CuO 中间相的现象.结合TG-DTA 图,这可能是反应中 Cu2+ 被三乙醇胺络 合,焙烧时还原为 Cu+ ;

在移除有机物后,Cu+ 被氧 化成 Cu2+ 出现 CuO 和CuAl2O4 共存的情形;

反应继 续进行,CuO 相消失,XRD 谱显示出单相的 CuAl2O4. 图2不同温度下焙烧

2 h 的CuAl2O4 的XRD 谱Fig.

2 X-ray diffraction patterns of CuAl2O4 powders calcined at different temperatures for

2 h 对于粉体的某一粒晶粒而言, 衍射 hkl 的面间距 dhkl和晶面层数N的乘积就是晶粒在垂直于此晶面方 向上的粒径 Dhkl.因此根据 Scherrer 公式[15] 可得 CuAl2O4 粒径: 0.89 cos hkl hkl hkl D Nd λ β θ = = (2) 式中,λ 为X射线的波长,θ 为衍射 hkl 的布拉 格角,βhkl 为衍射线变宽时衍射 hkl 的半峰宽 (FWHM). 表1不同焙烧温度的 CuAl2O4 平均晶粒尺寸 Tab.