[发明专利]一种新型石墨烯三维骨架多孔光催化膜的制备方法

说明书

本发明揭示了一种新型石墨烯三维骨架多孔光催化膜的制备方法，该制备方法是将不同类型的具有光催化能力的半导体纳米材料(p型、n型)嵌入氧化石墨烯中，经膨松化和还原处理后得到石墨烯三维骨架多孔光催化膜。具体实施步骤为：步骤一：制备光催化膜所需的半导体光催化材料，如：Cu₂O、Cu₂O‑CuO和TiO₂纳米线等；步骤二：纳米线/氧化石墨烯三维骨架多孔膜材料的组装，采用真空抽滤的方法将纳米线组装到氧化石墨烯膜内，然后采用快速冷冻真空干燥法或“膨松化”工艺对纳米线/氧化石墨烯进行处理，构建三维骨架多孔结构；步骤三：纳米线/氧化石墨烯三维骨架多孔膜的还原工艺，采用碘化氢作为还原剂，在保持纳米线光催化剂化学结构的同时实现氧化石墨烯膜的还原。

技术领域

本发明涉及光催化膜领域，尤其涉及一种新型石墨烯三维骨架多孔光催化膜的制备方法。

背景技术

膜分离技术是一种极具潜力的污染物分离、净化技术，但在应用中却存在着污染物引起膜污染造成的膜通量下降、膜使用寿命缩短等问题，制约着膜材料更广泛的应用。而光催化技术对有机污染物具有很强的处理能力，且具备广谱性、除净度高、反应条件温和、无二次污染等特性，可用于处理膜材料上附着的污染物。将光催化技术与膜分离技术结合开发光催化膜，可实现膜材料的自净，而光催化剂在膜材料内的固载，还可以解决反应后光催化剂的分离问题，是一种极具潜力的技术。

光催化膜可分为有机膜(TiO₂/PVDF复合膜、PES/TiO₂膜等)和无机膜(TiO₂/Al₂O₃复合膜、Si/TiO₂纳米管复合膜和TiO₂石墨烯膜等)两类，理论上有机膜在光催化反应过程中受到自由基的作用存在被降解的可能，从而造成光催化复合膜的结构和功能性解体；无机膜材料则没有此类问题，却存在价格昂贵、光催化活性低等限制。因此，需要开发新型的、具有更高催化活性和分离性能的膜材料。石墨烯光催化膜则不受有机膜易降解缺陷的限制，且石墨烯对光催化剂性能有促进作用，因此研究人员选择石墨烯作为光催化膜的材料。

TiO₂作为最常用的光催化剂在紫外光范围内具有很好的光催化活性，但光生电子-空穴对再复合率高、量子效率偏低，尤其是仅对紫外光响应，严重限制了对太阳光能量的充分利用，需要拓宽材料的光谱响应范围。开发可见光响应的材料是研究的发展方向，如：纳米Cu₂O是典型的p型窄带隙半导体，廉价无毒、耐光腐蚀、具有良好的可见光催化活性；Cu₂O本身能分离电子和空穴，在反应中空穴积聚在高活性晶面上使Cu₂O转边为CuO，在光照下产生的电子又将CuO还原为Cu₂O，而产生的空穴与有机污染物反应，此外，CuO优良的导电性可促进光生电子从Cu₂O转移，提高光催化性能，而纳米线的高比表面积也对光催化性能和稳定性有显著提高。

与单组分光催化剂相比，构建复合材料体系是开发高效可见光催化剂的有效方法，构建异质结就是其中一种典型方法。p-n结是异质结的一种，不仅能够通过敏化作用拓展宽带隙半导体的吸收波长范围，还可促进载流子在两种半导体中的转移，使电子和空穴分别在n型和p型半导体上聚集，从而抑制电子-空穴对的复合。因此，申请人将p型半导体Cu₂O与n型半导体TiO₂复合形成p-n异质结以降低Cu₂O-TiO₂复合材料的禁带宽度，拓宽吸收光谱的范围提高太阳光的利用率。