氧化亚铜表面金属纳米晶的选择性生长及其对催化性能的影响

The composite between Copper (Cu) nanoparticles and cuprous oxide (Cu2O) can enhance the absorption of visible light, and improve the separation and mobility of photoexcited charges, finally leading to excellent photocatalysis and sensors properties. However, the in-situ growth mechanism of Cu nanopartices on different surfaces of Cu2O polyhedron is still unclear. In this project, based on the combination of experimental and theoretical analyses, we are designed to systematically study the dynamic processes of selective growth, and illustrate the nucleation and growth mechanism of Cu nanopartices on different surfaces of Cu2O polyhedron. By testing the photocatalytic degradation of dye and CO catalytic oxidation, we would understand the relationship between the distribution of Cu nanopartices in Cu-Cu2O heterojunction and catalytic performances. Finally， according to the aforementioned results, the transfer of charges in Cu-Cu2O heterojunction, and also the reaction mechanism and kinetics will be studied through mathematical and physical models. This project would provide theoretical guidance and experimental evidences for the preparation of Cu-Cu2O heterojunction catalysts with high activity as well as low cost.

金属Cu纳米颗粒与Cu2O半导体复合可增加催化剂对可见光的吸收，提高光生电荷的分离和传输效率，使其展现出优异的催化、传感特性。然而，目前Cu2O表面纳米Cu晶粒的选择性原位生长机制尚不清楚。因此，本项目拟采用实验研究和理论模拟相结合的方式，系统地研究纳米Cu颗粒在Cu2O多面体不同晶面的生长动力学过程，揭示纳米Cu晶粒的选择性原位成核、生长机制；总结纳米Cu晶粒在Cu2O晶粒表面的分布状态对Cu-Cu2O异质结构可见光催化降解有机染料分子和CO催化氧化活性等催化特性的影响规律；建立数理模型，分析Cu-Cu2O异质结构中的电荷转移过程，以及催化反应的机理和动力学。研究结果将为研制高效廉价的Cu-Cu2O催化材料提供理论依据和实验参考。

氧化亚铜(Cu2O)晶体是一种环境友好的直接带隙窄禁带半导体，然而只能吸收太阳光中部分可见光，电荷传输效率低等问题，极大制约了其应用。Cu2O与金属纳米颗粒复合可显著提高其催化、传感等特性，原因是金属纳米颗粒的引入可增加催化剂对可见光的吸收，提高光生电荷的分离和传输效率，增强电子传递速率。本项目紧紧围绕晶面调控、金属纳米颗粒复合和催化传感性能对Cu2O及其复合材料展开了系列研究，主要完成了以下四个方面的研究：① Cu2O多面体晶体性能的晶面和形貌效应，提出了Cu2O晶体的调控手段，通过刻蚀、Zn2+调控等方法合成出具有特殊晶面和形貌结构的Cu2O微纳晶体，获得了具有优异光催化降解性能和传感性能的Cu2O材料；② Cu2O表面纳米Cu晶体的原位生长及催化性能研究，通过原位还原的方法，在Cu2O多面体表面原位生长出纳米Cu晶粒，发现表面活性剂的引入会影响纳米Cu晶粒在不同晶面的生长选择性，揭示了纳米Cu晶粒在Cu2O多面体表面的原位生长机制，获得了具有优异光催化降解性能和CO催化氧化性能的Cu-Cu2O异质结构；③ 贵金属纳米颗粒（Pt/Au等）的引入能够提高复合体系的光吸收能力和电荷传输能力，进而增强Cu2O晶体的光催化降解性能和电化学催化传感性能；④ 提出Cu2O模板法制备纳米材料的策略，合成出具有优异光催化性能的Ag/AgBr分等级异质结构。所取得的上述研究结果为铜基纳米催化材料的设计和合成提供实验依据和技术参考。在此项目执行期间，共发表基金标注论文15篇，15人次参加国内外学术会议，口头报告8人次，申请发明专利9项，其中授权2项，获得2016年陕西省科学技术二等奖1项。期间毕业博士研究生3人、硕士研究生4人，在读博士2人、硕士生2人。