Đồng (I) oxit là một trong hai dạng oxit của đồng, có màu đỏ với công thức hoá học là Cu2O. Cu2O rất bền với nhiệt (nóng chảy ở 1240°C), không tan trong nước nhưng tan chậm trong kiềm đặc hoặc NH3 đặc, tan tốt trong dung dịch axit.
Trong không khí ẩm, Cu2O dễ bị oxi hoá tạo thành CuO. Cu2O là chất bán dẫn loại p, ở dạng khối có năng lượng vùng cấm Eg = 2,14eV và hấp thụ photon có bước sóng X =580 nm [29]. Ở phạm vi nanomet, khi kích thước hạt giảm thì năng lượng vùng cấm tăng lên do hiệu ứng kích thước [30].
Vì vậy, Cu2O nano có thể hấp thụ photon vùng khả kiến có bước sóng X < 580 nm.
Tính chất này làm cho Cu2O nổi trội hơn một số oxit khác trong các quá trình quang hoá như TiO2 hay ZnO.
Ứng dụng của vật liệu Cu2 O
Đồng (I) oxit là một trong những vật liệu triển vọng cho quá trình chuyển hoá năng lượng mặt trời thành năng lượng điện và năng lượng hoá học. Cu2O có hệ số hấp thụ quang cao và tính chất quang điện tốt nên được sử dụng trong các thiết bị quang điện với chi phí năng lượng thấp. Với những tính chất của Cu2O, người ta sử dụng hợp chất này như một xúc tác cho các quá trình chuyển hóa. Đặc biệt, thời gian gần đây, ứng dụng xúc tác quang của Cu2O đã được đề cập đến khá nhiều [9,13,22,27,28,32,33,34]
Xúc tác oxi hoá khử
Do có số oxi hoá trung gian (+1) nên Cu2O có tính xúc tác oxi hoá – khử. Ví dụ, Cu2O làm xúc tác cho phản ứng phân huỷ nước thành O2 và H2 dưới điều kiện của bức xạ hồng ngoại, ở nhiệt độ phòng khi có mặt WO3 [14, 18, 19]. Kết quả cho thấy khi được chiếu sáng bởi ánh sáng khả kiến thì Cu2O thể hiện hoạt tính xúc tác quang hóa trong phản ứng phân hủy nước thành H2 và O2 khi có mặt n-WO3 mạnh hơn nhiều so với khả năng xúc tác khi chỉ có Cu2O. Mặt khác, trong hỗn hợp Cu2OWO3, nếu Cu2O định hướng mặt (111) thì lượng khí H2 thoát ra nhiều hơn so với
hỗn hợp chứa Cu2O định hướng mặt (110).
Cu2O còn có khả năng xúc tác cho phản ứng oxi hóa muối thiosunfat, góp phần giải quyết ảnh hưởng bất lợi của các muối thiosunfat trong quá trình tuyển nổi.
Ngoài ra, Cu2O/C làm xúc tác cho phản ứng phân huỷ metanol thành H2 và CO [32]; Cu2O làm xúc tác cho các phản ứng chuyển hoá CO thành CO2, NOx thành N2 và O2 [28].
Cu2O nano có hoạt tính xúc tác tốt hơn so với Cu2O hạt thô là do diện tích bề mặt lớn. Khi giảm kích thước hạt thì tỉ lệ các nguyên tử ở trên bề mặt tăng lên, cụ thể là vật liệu với kích thước hạt 30 nm có 5% nguyên tử ở trên bề mặt; hạt 10 nm có 20% nguyên tử ở trên bề mặt; còn hạt 3 nm có tới 50% nguyên tử ở trên bề mặt [25]. Cu2O có độc tính thấp, giá thành rẻ nên nó được sử dụng rộng rãi để xử lý phẩm nhuộm và các chất thải công nghiệp.
Xúc tác quang hoá
Với độ rộng vùng cấm nhỏ nên Cu2O dễ dàng bị kích thích bởi ánh sáng trong vùng khả kiến. Cu2O/chitosan có khả năng làm mất màu phẩm nhuộm X- 3B từ nồng độ 50 mg/l xuống còn 1,545 – 0,337 mg/l (phù hợp với tiêu chuẩn nước uống của WHO). Cu2O còn được sử dụng để xúc tác cho quá trình chuyển pnitrophenol (một chất gây ô nhiễm môi trường và độc tính của nó ảnh hưởng lên cả con người, động vật và thực vật) thành p-hydroxylamin phenol.
Đặc biệt, Cu2O là chất xúc tác quang rất tốt cho quá trình làm mất màu metyl da cam và xanh metylen có trong thành phần một số thuốc nhuộm công nghiệp. Một số tác giả đã đưa ra cơ chế giả thiết của quá trình làm mất màu metyl da cam [2 2 ]. Theo đó, các gốc tự do O H được tạo thành theo các quá trình quang hoá bởi xúc tác Cu2O:
Cu2O + hv-* Cu2O(e-) + Cu2O(h )
OH- + Cu2O(h+) * O H + Cu2O
Như vậy gốc O H được tạo thành bởi phản ứng giữa một lỗ trống (h+) và nhóm OH-. Các gốc này có tính oxi hoá mạnh, chúng tương tác và làm mất màu phẩm nhuộm. Tốc độ của phản ứng giữa O H với metyl da cam quyết định tốc độ mất màu.
Khi Cu2O được phủ lên bề mặt của một số kim loại như Au, Ag, Cu và Pt thì khả năng xúc tác quang hoá làm mất màu phẩm nhuộm được tăng lên đáng kể.
Nanocompozit Cu2O/Cu có khả năng xúc tác quang hoá làm mất màu phẩm nhuộm Procion Red MX-5B (PR) và phân hủy phenol [34]. Khi hàm lượng Cu chiếm khoảng 27-71% khối lượng thì khả năng xúc tác của nanocompozit Cu2O/Cu tốthơn so với Cu2O nano nguyên chất. Mặc dù phenol là hợp chất rất bền, nhưng xúc tác Cu2O/Cu có thể phân hủy 40% phenol sau 20 phút chiếu sáng. Theo lý thuyết xúc tác dị thể, khả năng xúc tác quang hoá của chất bán dẫn phụ thuộc rất lớn vào sự tương tác bề mặt và kiểu khuyết tật mạng tinh thể [26]. Kim loại trên bề mặt của chất bán dẫn đóng vai trò chất cho điện tử, thúc đẩy quá trình phân li điện tử – lỗ trống dưới sự kích thích của bức xạ khả kiến, vì vậy làm tăng hoạt tính xúc tác
quang hóa. Hơn nữa, Cu còn là trung tâm tái kết hợp giữa điện tử và lỗ trống, vì vậy hàm lượng của Cu trong thành phần nanocompozit cũng ảnh hưởng tới khả năng xúc tác quang hoá của hạt Cu2O/Cu.
Vì Cu2O có độ rộng vùng cấm tương đối thấp nên dễ xảy ra quá trình tái kết hợp của điện tử và lỗ trống. Điều này làm giảm hoạt tính xúc tác quang của Cu2O [17]. Để khắc phục hiện tượng trên người ta thường tạo ra các hạt compozit giữa Cu2O với các oxit kim loại khác. Ví dụ, khi trộn Cu2O với T1O2 thì các hạt compozit tạo thành có hoạt tính xúc tác quang cao hơn Cu2O nguyên chất trong phản ứng làm mất màu phẩm nhuộm đỏ khi được chiếu sáng bởi bức xạ khả kiến [2 2 ]