《Polyhedron》：Self-assembled hierarchical flower-like CuO nanostructures and g-C?N?/CuO composite with dual photocatalytic and electrochemical activity
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自组装多级花状CuO纳米结构和g-C?N?/CuO复合材料通过热分解与湿化学法成功制备。复合材料的比电容达455 F/g（1 A/g，1.0 M KOH），循环稳定性保持98%，显著优于纯组分。其光催化性能在 sunlight 下对RhB降解效率达99.5%（50 min）和IC 98%（60 min），源于异质结协同效应提升电荷分离与传输效率。该材料为高能效储能器件及废水处理提供新方案。
Aruna M. Sudapalli | Supriya Tripathy | Navinchandra Shimpi
索菲亚女子学院化学系，格兰特路，孟买400026，马哈拉施特拉邦，印度
摘要
成功合成了自组装的层次化花状CuO纳米结构以及g-C?N?/CuO复合材料。g-C?N?和g-C?N?/CuO是通过热分解方法制备的，而CuO则是通过表面活性剂辅助的湿化学过程制备的。使用XRD、FTIR、UV–Vis、PL、BET、XPS、FESEM、EDAX和TEM等手段进行了全面分析，证实了这些纳米结构具有高结晶度和较大的表面积。g-C?N?/CuO复合材料表现出优异的电化学性能，在1.0 M KOH溶液中1 A/g的电流密度下达到455 F/g的比电容，并且在5000次循环后仍保持98%的容量。其性能优于纯g-C?N?（250 F/g）和CuO（110 F/g）。此外，该复合材料在阳光下的光催化性能也非常出色，50分钟内可分解99.5%的罗丹明B（RhB），60分钟内可分解98%的靛蓝胭脂红（IC）。这种双功能性的提升得益于g-C?N?与CuO之间的协同作用，从而改善了电荷传输和结构稳定性。这些发现表明，g-C?N?/CuO复合材料是一种成本效益高、具有广泛应用前景的材料，适用于高性能超级电容器和高效光催化废水处理。
引言
全球对可再生能源和环境可持续性的需求不断增加，推动了能够实现多种功能的先进纳米材料的开发。目前已有许多用于能量存储和环境修复的技术。[1],[2] 超级电容器和光催化是两个具有巨大潜力的领域，因为它们能够解决能源短缺和水污染问题。超级电容器作为传统电容器和电池之间的桥梁，具有高功率密度、快速充放电以及多次循环后的耐用性。[3] 利用太阳光进行光催化为降解废水中的有机污染物提供了一种经济高效、环保的替代方法。[4] 制备具有优异电化学和光催化性能的材料对于推进科学理解和技术发展至关重要。
过渡金属氧化物（TMOs），特别是氧化铜（CuO），因其出色的导电性[5]、化学稳定性、丰富性和低成本而备受重视。CuO因其强氧化还原活性和窄带隙（约1.2–1.9 eV，属于p型半导体[6]，在超级电容器、传感器和光催化领域具有广泛的应用潜力。然而，纯CuO的实际应用常常受到其较小表面积、结构稳定性较差以及容易发生电荷复合等问题的限制。解决这些问题的一个实际方法是将其与适当的半导体材料结合成CuO杂化纳米复合材料，从而显著提高电荷分离和稳定性。
氧化铜是一种多功能材料，具有许多理想的性质，已被应用于气体传感器、光学开关、磁存储介质、场发射器件、太阳能电池、锂离子电极和异相催化剂等多种领域。[7],[8],[9],[10],[11] 此外，基于CuO的材料还表现出显著的磁阻效应和高温超导性[12],[13]。CuO的多样性质和用途导致了大量纳米结构的出现，包括纳米棒、纳米线、纳米片等，这些结构是通过多种技术制备的。[7],[8],[9],[10],[11],[12],[13] 文献中还报道了复杂CuO纳米结构的合成和结构特性，如纳米棒束[14]、海胆状微球[15]、花状纳米结构[16],[17],[18]、中空微球[19]等。例如，Wang等人[19]开发了一种化学方法来合成复杂的CuO纳米结构并测量了其光催化活性。他们使用Basu等人描述的可回收催化剂（单斜晶系CuO纳米花，固定在树脂上）制备了苝分子。[18] Wang等人还展示了两种合成方法——复合熔盐法和复合氢氧化物法——来制备花状和棒状的CuO纳米结构。[20] 以往的研究表明，合成复杂CuO纳米结构需要更好地控制反应时间、压力和温度[21]。
石墨氮化物（g-C?N?）是一种无金属的聚合物半导体，带隙约为2.7 eV，近年来作为光催化和能量存储材料引起了广泛关注。其层状结构赋予了它独特的性质[22]。它在高温下非常稳定，并且可以对可见光作出反应，非常适合用于制备复合材料。然而，单独使用g-C?N?时，其导电性较低，且光产生的载流子容易发生复合[23]。为了解决这个问题，将g-C?N?与CuO等金属氧化物结合可以形成异质结，从而提高整体的电化学和光催化性能，改善电荷传输和光吸收。
本研究成功合成了自组装的层次化花状CuO纳米结构以及g-C?N?/CuO复合材料，展示了它们的电化学和光催化性能。g-C?N?及其与CuO的复合材料的合成是通过热分解实现的。而CuO纳米结构则是通过表面活性剂辅助的湿化学方法制备的，这有助于控制c轴的生长并提高结构一致性。
电化学测试表明，g-C?N?/CuO复合材料在1.0 M KOH溶液中1 A/g的电流密度下达到455 F/g的比电容，并且在5000次循环后仍保持98%的容量，优于纯CuO（110 F/g）和g-C?N?（250 F/g）。该复合材料在阳光下的光催化活性也很强，50分钟内可分解99.5%的罗丹明B（RhB），60分钟内可分解98%的靛蓝胭脂红（IC）。这种性能的提升得益于g-C?N?与CuO之间的协同作用，它们改善了电荷分离，增加了活性表面积，并加速了电子传输。
本研究提出了一种高效、低成本且可扩展的方法来合成兼具电化学和光催化性能的多功能g-C?N?/CuO纳米复合材料，展示了其在高性能超级电容器和高效光催化废水处理方面的潜力，为下一代可持续能源和环境技术的发展提供了支持。
化学试剂和材料
硝酸铜（II）三水合物Cu(NO?)?·3H?O、尿素（CH?N?O）、溴化鲸蜡基三甲基铵（CTAB）、氢氧化钠（0.5% NaOH溶液）、罗丹明B（RhB）和靛蓝胭脂红（IC）染料均购自印度孟买的Sigma Aldrich公司。所有使用的化学品均为AR级，未经过额外纯化处理。实验过程中始终使用去离子水。
g-C?N?的制备
图1显示，通过一步热分解方法成功制备了g-C?N?
结构研究
图3展示了g-C?N?的XRD图谱，特征是在13°左右出现低角度（100）反射，表明其具有平面内结构有序；在27–28°附近出现强烈的（0 0 2）峰，表明三氮杂环层呈石墨状堆叠。CuO的XRD图谱显示出与单斜晶系十方矿相对应的特征反射，如32–33°附近的（1 1 0）、35–36°附近的（0 0 2）、38–39°附近的（1 1 1），以及48–68°之间的高角度峰（?2 0 2）、（0 2 0）、（2 0 2）、（1 1 3）等。
结论
通过热分解结合表面活性剂辅助的湿化学方法，成功合成了层次化的花状CuO纳米结构和g-C?N?/CuO复合材料。结构和形态分析证实了这些纳米结构具有高结晶度和较大的表面积，从而增强了电化学和光催化活性。g-C?N?/CuO复合材料表现出优异的电化学性能，具有较高的比电容
CRediT作者贡献声明
Aruna M. Sudapalli：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、实验设计、资金获取、数据分析、概念构建。Supriya Tripathy：撰写 – 审稿与编辑、验证、实验设计、数据分析、概念构建。Navinchandra Shimpi：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、实验设计、概念构建。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
