[发明专利]一种石墨烯/氧化铋复合光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化技术，涉及采用改良Hummers法制备氧化石墨烯，利用超声分散得到氧化石墨烯分散液，再利用水热法还原氧化石墨烯，原位复合得到石墨烯/氧化铋复合光催化剂。

背景技术

目前环境污染的严重性，已成为一个直接威胁人类生存，亟需解决的焦点问题。光催化技术是从二十世纪70年代逐步发展起来的在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术。该技术能使环境中的有机污染物发生氧化分解反应，最终降解为CO₂、水和无机离子等小分子物质，因此无二次污染、降解程度高被认为是目前最有前景的污染处理方法。

铋系半导体光催化剂能被可见光激发具有良好的光催化活性，能够有效地降解有机污染物，具有良好的发展前景。它们的共同特点和显著优势就是在可见光范围内有吸收，具有良好的光催化性能。然而，铋系半导体光催化剂特别是Bi₂O₃光催化剂存在光生电子-空穴容易再结合，对可见光的吸收相当有限等问题，极大的限制了它的大规模应用。因此，必须采取一定的措施来提高光生电子迁移效率，有效的限制电子-空穴再结合。

近年来，关于氧化铋光催化剂的合成方面研究较多，如有报道用多元醇介质法和氨水沉淀法制备的Bi₂O₃纳米粒子的光催化活性均高于商品Bi₂O₃纳米粒子。而对于Bi₂O₃的改性研究尚处于初级阶段，石墨烯具有独特的导电特性，将其与Bi₂O₃复合，将对Bi₂O₃的光催化性能产生显著的影响，目前在这方面的研究尚未见报道。石墨烯可以提高氧化铋光催化性能的原因可以归纳为：首先石墨烯会改善Bi₂O₃光催化剂的光生电子-空穴的分离效率；其次，石墨烯会提高Bi₂O₃对可见光的吸收。基于上述分析，积极探索石墨烯与Bi₂O₃的复合光催化剂的制备及性能研究是具有重要意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/氧化铋复合光催化剂及其制备方法，该方法工艺简单、成本低廉，合成的复合光催化剂光催化降解效果较好。

本发明提供用于降解有机污染物的石墨烯/氧化铋复合光催化剂，其特征在于：由质量比为1∶1000～1∶10的石墨烯和氧化铋原位复合而成，利用石墨烯特殊的导电作用，显著提高氧化铋的可见光光催化性能。石墨烯/氧化铋复合光催化剂的制备方法步骤如下：

(1)制备氧化石墨烯：用改良Hummers法制备氧化石墨烯，将10g石墨、100～300mL98％浓硫酸混合置于冰浴中，搅拌30min，使其充分混合，称取30～50g KMnO₄加入上述混合液继续搅拌1h后，移入30～50℃中温水浴中继续搅拌30min；用蒸馏水将反应液(控制温度在100℃以下)稀释至800～1000mL后加适量5～20％H₂O₂，趁热过滤，用1～10％HCl和蒸馏水充分洗涤至接近中性，最后过滤、洗涤，在60℃下烘干，得到氧化石墨烯样品。

(2)制备氧化石墨烯分散液：将一定量步骤(1)所得的氧化石墨烯在一定体积醇溶液中进行超声分散，制备氧化石墨烯分散液。

(3)制备石墨烯/氧化铋复合光催化剂：称取一定量的铋盐溶于稀释的硝酸或盐酸溶液中，将该溶液缓慢加入步骤(2)所得的氧化石墨烯分散液中，充分搅拌，然后加入一定浓度的碱性溶液调节pH到10～14，继续搅拌30～60分钟，然后将溶液装进水热反应釜中，100～220℃下反应5～20h，自然冷却至室温，用去离子水和无水乙醇将产物离心洗涤3～4次，以去除多余离子及杂质，在干燥箱中60℃烘干得到石墨烯/氧化铋复合光催化剂，该方法工艺简单，成本低廉，制备的复合光催化剂具有较高的可见光催化活性。

本发明与现有技术相比，具有显著优点：

(1)本发明采用水热法合成了石墨烯/氧化铋复合光催化剂，该方法在实现氧化石墨烯还原的同时，实现了氧化铋光催化剂的原位合成，从而利用水热过程一步实现石墨烯/氧化铋复合光催化剂的制备，方法简单，易操作。

(2)本发明石墨烯在氧化铋表面的修饰作用，显著增加了氧化铋光催化剂对可见光的吸收，加快光生电子-空穴的分离，氧化铋光催化剂可见光催化活性显著提高。

附图说明