[发明专利]具有高效光电活性的可控晶形二氧化钛与石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体涉及具体高效光电活性的可控晶形二氧化钛与石墨烯复合材料。

背景技术

TiO₂由于其优异的物理和化学活性，一直受到人们的广泛兴趣和研究。TiO2可被用作光伏材料和光催化剂。TiO₂用来制备染料敏化太阳能电池，其发电的原理是染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，释放电子，电子快速注入到紧邻TiO₂导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO₂导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。粒径在纳米尺度的TiO₂半导体材料能够提供较大的比表面积，这不仅能够吸附更多的染料而且也能够有效的降低电子-空穴对的结合。TiO₂半导体受光照能够产生电子-空穴对的特点，能和有机污染物发生氧化还原反应，从来降解一些难降解的有机废水，如难以降解的有机卤代烃、多氯联笨、有机磷化合物、多环芳烃等有剧毒的有机污染物。

现有的技术把钛醇盐作为钛源在有机溶剂下加入氧化石墨烯进行边制备TiO₂边制备石墨烯，这种方法限制了制备TiO₂的方法，只能在有机溶剂的条件下合成TiO₂，合成制备的TiO₂结构有限。由于一开始加入了氧化石墨烯可能会影响TiO₂的晶体生长。研究表明，具有锐钛矿晶形的TiO₂在电池性能和光催化应用方面要优于金红石型的。这主要是由于锐钛矿的禁带宽度(3.2ev)要大于金红石的(3.0ev)，产生的电子-空穴对的氧化还原能力强。但是通过改变体系，来形成锐钛矿与金红石晶形混晶并利用其协同作用的技术少有报道。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上提供一种可控晶形二氧化钛与石墨烯复合材料。

本发明的另一目的是提供一种可控晶形二氧化钛与石墨烯复合材料的制备。

本发明还有一个目的是提供一种具有高效光、电活性的可控晶形二氧化钛。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种具有高效光电活性的可控晶形二氧化钛与石墨烯复合材料，该复合材料直接由TiO₂粉体与石墨烯搅拌混合而成，或者由TiO₂粉体分散于氧化石墨烯分散液中并经由水热反应而成；所述TiO₂粉体与石墨烯的质量比为1∶1～500∶1；所述TiO₂粉体与氧化石墨烯的质量比为1∶1～500∶1。所述TiO₂粉体具有锐钛矿与金红石的混晶或者单一的锐钛矿晶形。

上述复合材料中TiO₂粉体与石墨烯(或氧化石墨烯)的质量比优选为5∶1～500∶1，进一步优选为15∶1～300∶1。

作为优选，本发明中的TiO₂粉体具有锐钛矿与金红石的混晶或者单一的锐钛矿晶形，其可以为由水热法制备的锐钛矿与金红石的混晶或者单一的锐钛矿晶形，其晶形或混合晶形的组成可以根据水热条件的变化进行有序调节，故本发明称之为可控晶形。本发明的TiO₂粉体优选采用具有锐钛矿与金红石的混晶，利用同时具备这两种晶形的TiO₂，由锐钛矿与金红石晶形的之间的协同作用，进一步提升其光电性能。

本发明可采用各种TiO₂粉体，优选采用水热法制备的符合上述要求的TiO₂粉体。TiO₂粉体的一种优选的制备方法为：将钛源加入到水、醇水体系或醇体系中，在搅拌下依次加入醋酸、软模板和沉淀剂，将配成的反应液装入水热反应釜，于60～300℃下反应4～48小时，冷却，分离产物中的沉淀并洗涤、干燥。洗涤可采用水和/或醇进行洗涤。上述反应的条件优选为于100～250℃下反应8～24小时。