[发明专利]一种石墨烯复合光催化剂及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合光催化材料，特别涉及一种基于石墨烯与半导体光催化材料的复合光催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

随着经济社会发展，能源紧缺和环境污染问题越来越引起人们的关注。光催化技术作为一种绿色、环保、低能耗的技术引起了各国政府以及工业界的高度重视。新型高效光催化材料是发展和应用光催化技术的关键之一，光催化技术来进行环境治理和太阳能的转化利用已逐渐得到世界各国的重视和应用。

目前，无机半导体光催化剂，如二氧化钛(TiO₂)，能够捕获光子和实现电荷分离，是最常用的光催化材料。该类无机半导体光催化剂的光催化过程是通过光激发产生的电子和空穴，其分别与吸附到催化剂表面的物种发生还原和氧化反应而实现的。但是其光催化剂粉体在应用过程中面临光催化效率低和吸附量低等问题。因此，一种能够同时提高传统光催化剂的吸附量和光催化效率的高效担载材料是发展和应用光催化技术所需要的。

石墨烯(graphene)是单层碳原子组成的二维纳米结构，具有优异的电导、热导和机械性能，以及大的比表面积和吸附性能。石墨烯层片共轭芳香结构表面的疏水性有利于其吸附异质表面来降低表面自由能(J.Am.Chem.Soc.10.1021/ja102777p)，利用该自组织过程构筑表面异质结结构可以提高复合光催化剂的光催化活性，同时石墨烯有利于提高其吸附量。因此，通过石墨烯与半导体光催化材料复合的石墨烯复合光催化剂粉体是一种具有高吸附量和高催化活性的新型光催化材料。

通过化学还原石墨烯氧化物制备石墨烯是目前可以规模化制备石墨烯的一种方法(Nature Nanotechnology 2009，4，217-224)。但是目前使用的有毒、非环境友好的强还原剂是化学还原制备石墨烯的一个主要问题。利用二氧化钛(TiO₂)在乙醇作为溶剂的条件下还原石墨烯氧化物(graphene oxide)的文献已经有了报道(ACS Nano 2008，2，1487-1491)。但该文献未报道该复合材料的吸附和光催化性能，同时利用石墨烯在传统半导体光催化剂表面构筑表面异质结结构复合光催化材料的专利也未见报道。

发明内容

鉴于上述介绍，本发明的目的旨在提供一种石墨烯复合光催化剂，并同时提出该种石墨烯复合光催化剂的制备方法及用途，以解决现有通过化学还原石墨烯氧化物制备石墨烯，需使用毒性的强还原剂的技术窘境。

本发明的上述目的之一是提供一种石墨烯复合光催化剂。其特征为：所述复合光催化剂具有表面异质结结构，且所述表面异质结结构为石墨烯层片和石墨烯层片包裹的半导体光催化剂。其中，该半导体光催化剂为具有光催化功能的无机半导体材料或有机半导体材料，其中无机半导体材料至少包括金属氧化物、金属硫化物或金属氮化物中的一种，可选实例之一为二氧化钛；而其中有机半导体材料为由碳氮化合物构成的有机半导体。该半导体光催化剂的结构至少包括纳米晶体，亚微米晶体，高分子有机聚集体和无定形体。

本发明的上述目的之二是提供一种石墨烯复合光催化剂的制备方法。其特征为：将半导体光催化剂与石墨烯氧化物在去离子水和还原性醇剂的双溶剂中采用光催化还原法制备石墨烯复合光催化剂，其工艺步骤包括，

(1)超声处理：在超声作用下，把半导体光催化剂分散到去离子水中，然后加入石墨烯氧化物的溶液，超声处理制备分散液；

(2)双溶剂光催化还原：在步骤(1)制得的分散液中加入还原性醇剂，得到双溶剂体系，通N₂将溶液中的溶解氧排尽，并在持续通N₂的条件下使用紫外光源照射该双溶剂体系；

(3)真空抽滤收集：将反应后的双溶剂体系倒入真空抽滤装置中，并用去离子水冲洗、去除未反应的还原性醇剂，收集得到滤纸上的石墨烯复合光催化剂，置入高温烘箱中烘干处理；

(4)干燥和剥离：将干燥的石墨烯复合光催化剂从滤纸上剥离下来，研磨得到石墨烯复合光催化剂粉末。

进一步地，前述的一种石墨烯复合光催化剂的制备方法，其中该还原性醇剂至少为乙醇、丙醇或异丙醇之一。

更进一步地，前述的一种石墨烯复合光催化剂的制备方法，步骤(2)中加入的还原性醇剂质量或体积含量与所需还原的石墨烯氧化物的质量或体积含量相匹配。