[发明专利]TiO2-rGO复合光催化剂的可见光光敏化制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及GO的还原和TiO₂-rGO复合光催化剂的可见光光敏化制备方法。

技术背景

当前，全球正面临着能源短缺、环境恶化和气候变暖等问题的严峻挑战，光催化具有光分解水制氢、光降解有机污染物和光还原二氧化碳等功能，因此光催化在解决能源问题、环境问题、温室气体处理等方面有重要的应用前景。然而，以TiO₂为代表的传统光催化材料量子产率低，光生电子和空穴容易复合，大大限制了其应用领域。因此，目前面临的难题是如何有效抑制电子-空穴对的快速复合，促进光生电子和空穴的有效分离，从而提高TiO₂的光催化活性。科研人员针对TiO₂光催化剂中光生电子-空穴对极易复合的问题做出了一系列的改性措施，如贵金属沉积和半导体耦合等。其中，用具有大比表面积和极好导电性的石墨烯来改性TiO₂以增强其光催化性能成为一个重要的研究方向。

石墨烯是单层二维石墨结构，具有大的比表面积，可明显提高对各种有机物的吸附能力。此外，石墨烯还具有独特的电子性质，如高电子迁移率(250,000 cm²/(V??s))，有望在光催化过程中成为光生电子的有效载体。研究结果表明：用机械或物理剥离法很难大规模制备石墨烯，而溶液化学法可大规模制备分散性良好的GO。但由于化学法使用了大量的强氧化剂，使GO表面产生了大量的含氧官能团，导致其导电性明显降低。如何把导电性能差的GO转变为高导电性的rGO成为当前国际研究领域中的重要课题之一。最近，许多学者利用各种还原方法，如化学还原法——使用某些还原剂(水合肼、硼氢化钠、柠檬酸钠和抗坏血酸等)和其他辅助手段等，能有效地把GO还原为rGO，以提高其导电性。然而，上述还原剂大都是有毒有害的，会对环境造成污染。因而，探索温和、绿色、环境友好的GO还原方法成为当前的研究热点之一。据我们所知，目前还没有发现在无需还原剂的条件下，通过染料光敏化原理来制备rGO和TiO₂-rGO复合光催化剂的研究报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术，提出一种在无需任何外加剂作为还原剂的情况下，以染料罗丹明B为光敏化剂通过可见光光照制备TiO₂-rGO高活性光催化剂的合成方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：TiO₂-rGO复合光催化剂的可见光光敏化制备方法，其特征在于包括有以下步骤：

1）将商业P25 TiO₂在100-750℃热处理0.5-5 h，得到热处理的TiO₂纳米粒子；

2）将氧化石墨烯(GO)超声分散于去离子水中形成均匀溶液，其中氧化石墨烯的浓度为0.001-2 wt%；

3）将2.5 mL浓度为1-50 mg/L罗丹明B溶液和步骤2)得到的10 mL 氧化石墨烯溶液混合，形成均匀溶液；

4）把步骤1)经热处理的1 g TiO₂纳米粒子分散到步骤3)得到的氧化石墨烯和罗丹明B的均匀溶液中，搅拌均匀得到悬浮液；

5）把步骤4)制备的悬浮液在N₂保护下用可见光照射10-300 min，得到的产物经去离子水洗涤3次后，于30-120℃真空干燥1-12 h，即得到TiO₂-rGO复合光催化剂。

按上述方案，步骤1) TiO₂的热处理温度为350-600℃。

按上述方案，步骤1) 的TiO₂热处理时间为1-3 h。

按上述方案，步骤2) 氧化石墨烯的浓度为0.01-0.5 wt%。

按上述方案，步骤3)罗丹明B的浓度为5-20 mg/L。

按上述方案，步骤5)悬浮液的可见光照射时间为30-100 min。

按上述方案，步骤5)TiO₂-rGO复合光催化剂的干燥温度为50-80℃。

按上述方案，步骤5)TiO₂-rGO复合光催化剂的干燥时间为4-8 h。