[发明专利]石墨烯基磁性复合可见光催化材料Fe3O4-G-TiO2的制备方法

说明书

技术领域

本发明用于水处理技术应用领域，具体涉及一种石墨烯（G）基磁性复合可见光催化材料Fe₃O₄-G-TiO₂的制备方法。

背景技术

如何提高光催化材料对太阳光的利用率是近年来的研究热点。在达到地球的太阳光中，可见光的光能占整体太阳光能量的46%，而紫外光只有5%。能有效吸收可见光能力的光催化材料的带隙能只能在3.1ev以下。两种方法可以实现光催化材料对可见光的利用：一种是在已有紫外光催化材料上负载或者掺杂某种元素，使复合材料能够被可见光激发，这种元素降低了原有材料的带隙能；第二种方法是直接制备能够利用可见光的窄带隙能的材料。

紫外光下催化效率很高的TiO₂有比较宽的带隙能(金红石为3.03ev, 锐钛矿为3.18ev),只能吸收很少部分的可见光，并且在水处理中较难分离，不能达到高效重复利用。如何提高TiO₂在太阳光下的催化效率，降低耗电成本，并且能够方便回收再利用是近年来针对TiO₂的研究热点。

（1） 石墨烯的性质

有关石墨烯（Graphene，G）的实验研究，40多年前就已经开始，但是一直到2004年英国曼彻斯特大学物理教授Geim等用机械剥离法成功制备石墨烯，才逐渐成为近年来的研究热点。石墨烯G是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维结构，具有优异的物理化学性质。石墨烯的理论比表面积高达2630m²/g，并且含有大量可自由移动的π电子，可以和苯环形成强烈的π-π电子堆积作用，已经被认为是良好的吸附剂或者分离材料。石墨烯及其衍生物具有二维的平面结构、大表面积、开放的孔结构、柔韧性、化学稳定性以及很高的导电能力，同时通过化学氧化法制备的氧化石墨烯GO和还原氧化石墨烯RGO含有一定量的含氧官能团，这些特性使得GO和RGO成为固定无机纳米颗粒的良好载体。

（2）G(GO)-TiO₂复合光催化材料研究进展

近年来，有关G(GO)-TiO₂复合材料的制备和在光催化反应中应用的报道有很多。Jiang等利用原位沉淀法制备了GO-TiO₂复合材料降解甲基橙,发现复合材料比商用TiO₂ P25有更高的光催化活性。Liang等也利用亚甲基蓝证明了此结论。TiO₂在可见光下的催化效率极低，而Zhang等制备的G-TiO₂则提高了在可见光下的催化效率，和商用TiO₂ P25相比，对亚甲基蓝的可见光催化去除效率从10%提高到了70%。不同的制备方法制成的复合材料的光催化性能也有所不同。

提高二氧化钛在可见光下的催化活性是近年来的研究热点，但是对其机理解释尚未定论。Min和Wang等利用在强酸条件下改性的GO和TiO₂合成的复合材料，不仅提高了在紫外光下对亚甲基蓝的去除效率，而且比用未改性GO直接制成的合成材料有更好的可见光催化活性。原因是改性后的GO和TiO₂形成了Ti-C和Ti-O-C键。Chen等人也制备出了可以提高可见光催化活性的GO-TiO₂复合材料，但是解释完全不同。利用GO和TiCl₃作为前驱体，并加入十二烷基磺酸钠，通过GO形成p/n型半导体，从而在复合材料中形成p/n异质结，所以复合材料会被>510nm的可见光激活。Luisa利用液相沉淀和后热还原方法制备了RGO-TiO₂复合材料，并以典型药物污染物作为目标污染物来考察材料在紫外光和可见光下的催化活性。研究发现污染物的原体去除率和矿化度均非常高，同时认为在紫外光下的空穴在氧化过程中起主要作用，而在可见光下激发电子也有着非常重要的作用。通过检测手段发现在紫外光和可见光下，GO分别是TiO₂的电子受体和电子供体。总之，GO- TiO₂的界面性质的不同从而降低空穴和电子的复合效率，提高TiO₂在可见光下的催化活性。

综述可见，G(GO)-TiO₂光催化材料的制备以及提高光催化效率的机理研究是后续研究的重点。但是在水处理中，光催化材料的快速分离以及回收利用也是值得考虑的重点，而磁性光催化材料的制备以及应用是解决此问题的方法之一。