[发明专利]石墨烯/二氧化钛复合光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化剂的制备方法，特别是指用水热法制备石墨烯/二氧化钛复合光催化剂的方法，属于光催化技术领域。

背景技术

自从1972年Fijishima等人在TiO₂电极表面发现水分解现象以来，TiO₂作为一种光催化剂已经被各国科学家所广泛研究。在紫外光照下，电子从TiO₂的价带被激发到导带上，在价带上产生带正电的空穴，从而使TiO₂具有光催化活性。但是光激发产生的电子-空穴对的复合速率很快，其复合时间约为10^-9秒。而TiO₂与吸附于其表面的有机污染物发生化学作用所需的时间约为10^-8-10^-3秒。两者之间的差异导致了纯TiO₂的光催化效率很低。另一方面，二氧化钛是一种宽禁带的半导体材料(金红石3.0eV，锐钛矿3.2eV)，对太阳光的吸收仅限于紫外波段，大大影响了其对太阳能的利用率，降低了实际应用价值。通过掺杂制备TiO₂复合材料，可以在一定程度上解决上述两个问题。文献(Yao Y，Li G，Ciston S，Lueptow R M，Gray K A.Environ Sci Technol，2008，42：4952-4957)报道了碳纳米管/二氧化钛复合材料，利用碳纳米管的一些独特性能，将其与TiO₂复合之后可以有效地提高TiO₂的光催化活性。尽管如此，碳纳米管本身的几个负面因素也对实际应用产生了影响，例如杂质的存在、难以溶于一些常见的溶剂、长径比的多分散性以及存在金属相与半金属相的混合态。

石墨烯是最近发现的碳材料的又一种同素异形体，从结构上可简单地将其看成单原子的石墨片层。石墨烯是一种良好的载体材料，在其上面负载金属或者金属氧化物纳米粒子，可以得到很好的分散性。众所周知，TiO₂的光催化活性，很大程度上还受其颗粒尺寸与比表面积的影响。粒径在纳米尺度范围内的TiO₂，其催化活性会有明显的提高。在石墨烯表面合成TiO₂可以有效防止纳米粒子的团聚，有利于提高TiO₂对有机污染物的光降解效率。更为重要的是，石墨烯是一种电子受体材料。将石墨烯与TiO₂复合，在两种材料的界面，TiO₂导带上的光激发电子会转移到石墨烯的能带上，从而大大降低了电子-空穴对的复合率，使TiO₂具有更高的催化活性。由于能带结构的调整，石墨烯还能发挥光敏化剂的作用，使TiO₂的吸收范围扩大到可见光区域，有效提高了对太阳能的利用率。同时，制备石墨烯的原料为商用石墨粉，简单易得，较碳纳米管而言成本更低。

目前，对于制备石墨烯/二氧化钛复合材料的报道很少。其中一种方法是先通过氧化石墨制备石墨烯，然后加入钛盐前驱体，热处理得到二氧化钛，如文献Zhang X Y，Li H P，Cui X L，Lin Y H.J Mater Chem，2010，20：2801-2806和中国专利(CN101658786)所报道。其缺点是制备过程较为繁琐，且事先通过热还原或者还原剂来制备石墨烯并不能保证石墨烯的有效分散，甚至会出现石墨烯的团聚和重堆积，后期的热处理还可能会导致石墨烯的氧化。文献(Zhang H，Lv X，Li Y，Wang Y，Li.J ACS Nano 2010，4：380-386)报道了将氧化石墨烯与P25(20％金红石，80％锐钛矿)混合，通过水热反应得到石墨烯-P25复合材料的方法。观察所得产品发现P25在石墨烯上的分散性较差，这与直接以TiO₂晶体(P25)作为原料有关。以氧化石墨和钛盐前驱体为原料，通过水热法一步制备石墨烯/二氧化钛复合材料，目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种简单且有效的制备石墨烯/二氧化钛复合光催化剂的方法，使纳米TiO₂颗粒均匀分布于石墨烯表面，具有比纯TiO₂更好的光催化活性。

本发明所采用的技术方案，是以氧化石墨与钛盐前驱体为原料，先通过机械搅拌混合均匀，然后利用水热反应一步制得石墨烯/二氧化钛复合光催化剂。其具体步骤为：

1)将5～60mg的氧化石墨溶于有机溶剂，超声30～60分钟得到氧化石墨烯分散液；