基本信息
- 項(xiàng)目名稱:
- 造福環(huán)境的Cu2O中空亞微球
- 小類:
- 能源化工
- 大類:
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介:
- 本作品立足于節(jié)能環(huán)保,在二元簡(jiǎn)單模板物質(zhì)、簡(jiǎn)約水相體系、常溫常壓的溫和條件下,制備出粒徑可調(diào)、表面介孔的Cu2O中空亞微球,并提出了“誘導(dǎo)兩級(jí)組裝”調(diào)控機(jī)制。該Cu2O中空亞微球在作為日光型催化劑降解有機(jī)污染物、制備防污劑用于海洋船舶防污涂料方面表現(xiàn)出良好的性能。
- 詳細(xì)介紹:
- 本作品采用N2H4?H2O為還原劑,在十二烷基硫酸鈉(SDS)-聚乙烯吡咯烷酮(PVP)組成的項(xiàng)鏈狀軟物質(zhì)團(tuán)簇簡(jiǎn)約模板中還原CuSO4,常溫常壓一鍋法制備表面介孔Cu2O中空亞微球。XRD確定產(chǎn)物為Cu2O立方晶系晶體,SEM、TEM揭示產(chǎn)物為粗糙表面、中空結(jié)構(gòu)的規(guī)整亞微球,表面吸附測(cè)試證明其具有表面介孔的特殊形貌。通過改變N2H4?H2O濃度、CuSO4濃度以及SDS-PVP項(xiàng)鏈狀軟物質(zhì)團(tuán)簇的模板組成,可控合成得到粒徑在150-500 nm間可調(diào)、表面介孔的Cu2O中空亞微球。該Cu2O中空亞微球的生長(zhǎng)機(jī)理為“兩級(jí)軟模板”作用:在“一級(jí)誘導(dǎo)組裝”過程中,表面活性劑束縛膠束起主導(dǎo)作用,使無機(jī)物形成初級(jí)量子點(diǎn)或納米團(tuán);在“二級(jí)誘導(dǎo)組裝”過程中,聚合物鏈橋聯(lián)作用使分散在一定空間范圍內(nèi)的無機(jī)物量子點(diǎn)彼此靠近、有序聚集、自組裝成次級(jí)無機(jī)納米結(jié)構(gòu)。 以表面介孔Cu2O中空亞微球?yàn)榇呋瘎┕獯呋到馑嵝云芳t和甲基橙,顯示出優(yōu)秀的催化作用,酸性品紅和甲基橙降解率均高達(dá)97%以上,且催化劑重復(fù)使用率在5次以上。以表面介孔Cu2O中空亞微球單獨(dú)或者由其包埋其他無毒有機(jī)防污劑制備低毒海洋防污涂料,由于Cu2O粒徑達(dá)到納/微米級(jí),因此在涂料中分散均勻;其中空結(jié)構(gòu)和表面介孔的特殊形貌適于包埋、緩釋其他無毒有機(jī)防污劑,使Cu2O用量減少并產(chǎn)生協(xié)合防污作用。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6824-86《船底防污漆銅離子滲出率測(cè)定法》,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加速試驗(yàn)測(cè)定制得的海洋防污涂料的銅離子滲出率在30天后即可達(dá)到恒定,且高于臨界值10μg/(cm2?d),釋放效果優(yōu)于普通Cu2O,而且可以包埋其他無毒有機(jī)防污劑,包埋率為13%-15%,銅離子滲出率為5μg/(cm2?d),無毒殺生劑異噻唑啉酮釋放速率為0.96mg/(L?d)。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的:現(xiàn)今,節(jié)能環(huán)保成為全球熱點(diǎn)問題。Cu2O是一種P型半導(dǎo)體材料,在日光型光催化劑、海洋防污劑等方面應(yīng)用廣泛,但傳統(tǒng)Cu2O存在許多缺陷而使應(yīng)用受限。本作品利用軟模板法制備Cu2O中空亞微球,綠色清潔,使該傳統(tǒng)產(chǎn)品在應(yīng)用上煥發(fā)生機(jī)。 基本思路:1以十二烷基硫酸鈉(SDS)-聚乙烯吡咯烷酮(PVP)項(xiàng)鏈狀軟團(tuán)簇為模板,用水合肼還原硫酸銅制備Cu2O中空亞微球;采用XRD、SEM和TEM等手段表征Cu2O中空亞微球的晶型、形貌及生長(zhǎng)過程;調(diào)節(jié)軟模板組成、硫酸銅濃度、還原劑濃度得到粒徑和中空結(jié)構(gòu)可調(diào)的Cu2O亞微球。2考察該產(chǎn)品作為光催化劑和海洋防污劑的應(yīng)用效果。 創(chuàng)新點(diǎn):在簡(jiǎn)單模板物質(zhì)、水相體系、常溫常壓下用SDS-PVP“誘導(dǎo)兩級(jí)組裝”機(jī)制組裝粒徑可調(diào)、表面介孔的Cu2O中空亞微球,且模板可回收再利用,制備方法節(jié)能環(huán)保。該產(chǎn)品作為日光型光催化劑降解有機(jī)污染物,克服了目前使用的光催化劑多依賴紫外光激發(fā)的不足,且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易團(tuán)聚; 作為防污劑制備海洋船舶涂料,可包埋無毒有機(jī)殺生劑,獲得低毒協(xié)合的殺生效果。 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo):1通過改變水合肼濃度、硫酸銅濃度及SDS-PVP模板組成調(diào)控Cu2O中空亞微球的粒徑,采用XRD、SEM、TEM、表面孔徑吸附儀等手段表征產(chǎn)物的晶型、形貌。2以該產(chǎn)品為光催化劑,在可見光下測(cè)量品紅溶液和甲基橙溶液最大降解率達(dá)97%。3以該產(chǎn)品單獨(dú)或包埋無毒有機(jī)防污劑為船舶防污涂料,參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6824-86,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加速試驗(yàn)測(cè)定銅離子滲出率。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品首次提出模板“誘導(dǎo)兩級(jí)組裝”作用:在“一級(jí)誘導(dǎo)組裝”過程中,表面活性劑束縛膠束起主導(dǎo)作用,使無機(jī)物形成初級(jí)量子點(diǎn)或納米團(tuán);在“二級(jí)誘導(dǎo)組裝”過程中,聚合物鏈橋聯(lián)作用使分散在一定空間內(nèi)的無機(jī)物量子點(diǎn)彼此靠近、有序聚集、自組裝成次級(jí)無機(jī)納米結(jié)構(gòu)。其次,Cu2O是一種P型半導(dǎo)體,能帶間隙僅為2.2 eV,可有效利用太陽(yáng)光催化降解有機(jī)污染物。該產(chǎn)品可在4-5小時(shí)降解97%以上有機(jī)物,重復(fù)利用5次以上。另外,由于其形成的微球結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定,克服了納米材料在使用時(shí)易團(tuán)聚的弊端。將此Cu2O中空亞微球作為防污劑用于防污涂料中,可改善由于Cu2O密度大與有機(jī)物形成復(fù)合材料時(shí)易混合不均甚至在基底材料表面形成沉積的不足,實(shí)驗(yàn)測(cè)定銅離子滲出率高于臨界值10μg/(cm2?d)。該產(chǎn)品還可包覆無毒有機(jī)防污劑(如:異噻唑啉酮,包埋率為13%-15%,銅離子滲出率為5μg/(cm2?d),異噻唑啉酮釋放速率為0.96mg/(L?d)),可減少Cu2O用量并產(chǎn)生協(xié)合防污效果,達(dá)到綠色環(huán)保的要求。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1、申請(qǐng)一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利《一種Cu2O中空亞微球應(yīng)用于低毒海洋防污涂料的制備方法》,申請(qǐng)?zhí)?00910030819.1; 2、本小組成員撰寫的《SDS-PVP軟團(tuán)簇制備氧化亞銅中空亞微球及其光學(xué)性能研究》已被《江南大學(xué)學(xué)報(bào)》接受;
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 可技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品,現(xiàn)場(chǎng)演示,圖片,錄像,樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):本作品制備表面介孔Cu2O中空亞微球,方法簡(jiǎn)單環(huán)保,生產(chǎn)成本小;可在船舶防污涂料中均勻分散,并能包覆、緩釋其他無毒有機(jī)防污劑發(fā)揮協(xié)合防污作用;可在日光激發(fā)下光催化降解環(huán)境污染物。 適應(yīng)范圍:日光型光催化劑,海洋涂料防污劑。 推廣前景:Cu2O中空亞微球粒徑可調(diào)、表面介孔,在傳感器、催化劑、電子元件、電極材料以及著色劑、防污涂料等諸多領(lǐng)域都具有應(yīng)用價(jià)值。 市場(chǎng)分析:本作品制備 Cu2O中空亞微球原料易得、方法簡(jiǎn)便、能耗低;催化降解有機(jī)污染物可見光即可響應(yīng)、催化活性高、穩(wěn)定性好;克服了傳統(tǒng)氧化亞銅易出現(xiàn)凝聚、沉淀現(xiàn)象,銅離子釋放速率不穩(wěn)定的不足,具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè):據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全世界每年用于機(jī)械清洗船體的費(fèi)用超過10億美元。2000年至今,我國(guó)造船與修船用漆量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。本作品中通過對(duì)Cu2O結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,增強(qiáng)了Cu2O的環(huán)境友好性,使得原生產(chǎn)Cu2O防污涂料的工藝可繼續(xù)使用,從而減少開發(fā)新防污劑的費(fèi)用,為國(guó)家的航海事業(yè)節(jié)省大筆開支。
同類課題研究水平概述
- 近年來軟模板法制備納/微米粒子的研究以表面活性劑和聚合物模板體系的研究最活躍。實(shí)踐證明表面活性劑或聚合物的一元體系對(duì)無機(jī)納/微米粒子的合成一般只具有一級(jí)導(dǎo)向生長(zhǎng)功能,即通過定向或選擇性吸附等方式限制原生粒子聚集和繼續(xù)生長(zhǎng),并與晶體生長(zhǎng)的自身規(guī)律相抗衡,從而得到特殊形貌的納/微米粒子。但此類模板體系在調(diào)控納/微米粒子生長(zhǎng)方面隨機(jī)性大,調(diào)節(jié)粒徑以及獲得特殊形貌方面顯得能力有限。 研究者們也嘗試?yán)么蠓肿颖砻婊钚詣┤缜抖尉酆衔餅檐浤0逯苽浼{米粒子,該類體系可以同時(shí)發(fā)揮表面活性和空間包覆的雙重作用,然而獲得這種結(jié)構(gòu)的聚合物較為困難,因而實(shí)用性欠佳且進(jìn)展緩慢。 一些研究小組也開始嘗試用表面活性劑與聚合物的二元體系來控制納米粒子的形貌,初步成功制備出了各種尺度和形貌的納米結(jié)構(gòu),獲得了比一元模板體系豐富得多的結(jié)果。然而,大多數(shù)研究者仍然沿用軟模板物質(zhì)對(duì)晶粒的選擇性吸附的傳統(tǒng)解釋方法予以解釋,尚未認(rèn)識(shí)到這種由小分子表面活性劑與大分子均聚物形成的超分子有序自組裝體具有既類似、又有別于大分子表面活性劑的獨(dú)到之處,它們既可以如大分子表面活性劑般集自組裝性和空間協(xié)調(diào)性于一身,又可以解離成小分子表面活性劑和大分子均聚物的獨(dú)立個(gè)體對(duì)納/微米粒子發(fā)揮各自的導(dǎo)向生長(zhǎng)作用。 目前制備Cu2O中空納/微米球主要采用水/溶劑熱方法,尚未見采用軟模板法在常溫常壓下直接制得Cu2O 中空納/微米球的報(bào)道。 本小組首次提出了表面活性劑-聚合物項(xiàng)鏈狀物通過“誘導(dǎo)兩級(jí)組裝”獲得特殊的無機(jī)納/微米形貌。在“一級(jí)誘導(dǎo)組裝”過程中,表面活性劑束縛膠束的模板作用使無機(jī)物形成與其類似大小的初級(jí)量子點(diǎn)或納米團(tuán);在“二級(jí)誘導(dǎo)組裝”過程中,聚合物鏈空間橋聯(lián)的模板作用使得分散在一定空間范圍內(nèi)的無機(jī)物量子點(diǎn)自組裝成一定形狀的次級(jí)無機(jī)納米結(jié)構(gòu)。這類項(xiàng)鏈狀有序自組裝體可以提供更多模板尺度和微反應(yīng)區(qū)域;其“兩級(jí)軟模板”作用為目前報(bào)道的其它軟模板體系所不具備。 在其應(yīng)用方面,目前研究較多的二氧化鈦半導(dǎo)體光催化劑需要紫外光激光,設(shè)備要求高且耗損嚴(yán)重,帶來一系列能源問題,本作品只需用日光激發(fā);目前在防污劑中使用最廣泛的Cu2O在涂料中不能均勻分散,銅離子滲出率不穩(wěn)定,且使用量較大,釋放到海水中,對(duì)環(huán)境造成危害。而其他納米產(chǎn)品由于比表面能大,在使用時(shí)易發(fā)生團(tuán)聚,也為實(shí)際應(yīng)用帶來不便。