[发明专利]一种二氧化钛纳米管/石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂领域，具体涉及一种二氧化钛纳米管/石墨烯复合材料粉体及其制备方法。

背景技术

光电转化技术以其室温反应和可直接利用太阳能作为光源来驱动反应等独特性能，而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。一方面，人们希望应用光电转化技术开发出高效，无污染的清洁能源，合理有效地利用太阳能，这不仅可以解决目前能源的短缺问题，更重要的是可以减轻目前大量使用矿物燃料给环境带来的污染；而另一方面，人们又希望光电转化方法也能在有害废物的处理中，扮演有用的角色。因此，光电转换的研究对于解决能源、污染问题具有重大的现实意义。其中，人们研究较多的是关于半导体纳米材料的光电性质，它所表现出的光电性质使它无论是在光电转换方面，还是在废物的降解处理中都有很好的实际应用前景。

在众多的半导体纳米材料中，TiO₂纳米颗粒因其具有独特的光电化学性能、优异的热稳定性、生物惰性、无毒无害及制备简便等，在光电化学等领域引起广泛的关注。但是，由于TiO₂纳米颗粒本身禁带宽，产生的电子-空穴对不仅极易复合而且寿命较短，光响应范围较窄，使其光电化学活性受到了一定的限制。因此，如何改善TiO₂纳米颗粒的光电化学性能，已成为TiO₂在光电化学领域的一个重要的研究方向和研究热点。2001年美国宾夕法尼亚大学Grimes教授领导的科研小组于2001年率先研究制备的TiO2纳米管阵列以其优异的物理化学特性给我们指出了新的思路。Grimes所制备的纳米阵列管高度顶部开口，定向生长，比表面积大、孔径均匀一致，在一定长度下可牢固的附着在Ti基础上，是一种具有理想稳定三维结构的纳米材料。

与TiO₂纳米颗粒相比，具有线性电子传输能力的TiO₂纳米管在光生电荷的传输中具备更优越的性能。在光电作用下，光生电子能快速进入TiO₂纳米管导电基体，从而大大降低了光生电子空穴复合的可能性，表现出较好的光电化学性能。因此，TiO₂纳米管材料在光催化降解大气和水中的污染物、染料敏化太阳能电池、光解水制氢等光电化学领域方面有着广阔的应用前景，已引起人们的极大关注和兴趣。但是二氧化钛作为宽禁带半导体，只能利用太阳光中的紫外光，而紫外光占太阳光的比例不足6%，造成TiO₂纳米管/线阵列对太阳光利用率较低的问题。

CN102151561A提供一种纳米碳管负载二氧化钛的光催化剂的制备方法。该光催化剂是在纳米碳管的外表面附着有纳米二氧化钛。该方法制备得到的光催化剂催化效率高。

另一方面，作为2004年才被发现的新型碳材料，石墨烯（Graphene）是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体。虽然石墨烯是二维结构，但实际上并不是平坦的，而是波状的，在一个两层体系中，这种起伏不是很明显，在多层体系中会完全消失。石墨烯中每一个碳原子与周围的三个碳原子之间以特殊的单键相连，剩余的一个电子可以自由移动，因此石墨烯是可以导电的。从某种程度上理解，可以认为，整个石墨烯片层形成一个大π键。因此，石墨烯具备较高的比表面积和特异的电子传导能力，具有比碳纳米管更为优异的电学性质、良好的导电性、透光性和化学稳定性以及可加工性，并且避免了碳纳米管研究和应用中难以逾越的手性控制、金属型和半导体型分离以及催化剂杂质等难题，这使得其可以成为比碳纳米管更好的电子或空穴传递的多功能修饰材料。比如：Paek等合成了石墨烯-SnO₂复合材料，发现石墨烯能够起到电子传递通道的作用。将石墨烯与二氧化钛复合，可以利用石墨烯的导电性能增加电子-空穴的分离效率，提高复合材料的光催化活性。

CN101704511A公布了一种具有可见光催化活性的二氧化钛纳米管(或二氧化钛纳米线)阵列异质结的制备方法，包括如下步骤：一、电解液的配制；二、将二氧化钛纳米管/线阵列与石墨正对平行的浸入电解液中沉积得到二氧化钛纳米管/线阵列异质结；三、将步骤二得到的二氧化钛纳米管/线阵列异质结吹干后放入马弗炉中煅烧2h～5h，再随炉冷却至室温，即得具有可见光催化活性的二氧化钛纳米管/线阵列异质结，解决了二氧化钛纳米管/线阵列对太阳光利用率较低的问题。但该方法所采用的阳极氧化法对pH要求严格，高pH值的电解液能制备较长的纳米管阵列，但表面会覆盖许多沉淀物，低pH值的电解液得到的纳米管阵列虽然表面干净，但纳米阵列短。