[发明专利]石墨烯量子点敏化海胆状二氧化钛光催化材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯量子点敏化海胆状二氧化钛光催化材料的制备方法。

背景技术

能源危机日趋严峻，利用太阳能制氢毋庸置疑成为当下最热门的研究方向，在Fujishima团队观察到纳米级半导体TiO₂可光催化分解水制氢后，迅速在全球掀起了研究纳米TiO₂的热潮，太阳能的利用也步入了一个崭新的阶段。TiO₂因为无毒、廉价、化学稳定性高、光催化活性高等优点而在光催化方面具有广泛的应用前景，但是传统的TiO₂存在能隙值过大只可响应紫外波段，光生电子与空穴极易在体内和表面复合等一系列问题。因此，针对目前TiO₂在光催化应用中所存在的不足，人们提出了一系列的改性方案，目前对TiO₂的改性主要集中在两个方面：抑制TiO₂内光生电子和空穴的复合，提高光量子效率；降低禁带宽度，将TiO₂的吸收光谱拓展至可见光区域，从而达到充分利用太阳光的目的。目前的改良方法丰富多彩，主要有金属络合物和染料光敏化、非金属掺杂、窄带隙半导体复合、半导体表面沉积以及贵金属和二氧化钛高活性面的控制生长等，都呈现出对TiO₂的性能改善，并提出了一些方向性的改进方案。从目前的研究成果看，提高TiO₂光活性的重点在于其表面有效的活性点密度，这对敏化粒子提出了要求，敏化粒子应有利于：（1）光生电子在空间上的快速分离以有利于保证催化活性，这就要求配体应具备较好的电子传输特性；（2）尽可能多的与对TiO₂实现表面结合而形成表面的异质结体系，这要求其尺寸和形貌应进行控制。然而，目前研究较多的敏化粒子大多是类球形纳米粒子，相互之间的空间位阻限制了这些敏化纳米粒子的数量，进而影响敏化后TiO₂纳米复合粒子的表面活性点密度；即使是最近大量研究的石墨烯-TiO₂复合粒子，大多是利用了石墨烯片层的结构，石墨烯的尺寸大到微米量级，这种体系下，TiO₂纳米粒子一般是分布在石墨烯片层上，并不能保证对纳米粒子的活性表面充分敏化，并且，由于石墨烯自身比较严重的自团聚特性，影响辐照的效率，导致催化性能提升幅度并不很理想。另一方面，从应用层面上看，纳米TiO₂的光催化等方面的应用明显依赖于其比表面积，单纯从纳米化的角度看，单位克重的比表面积和纳米粒子的尺寸相关，似乎尺寸越小其单位克重的比表面积就越大，但由于纳米层级的粒子在表面能作用下趋于团聚的特性，实际应用中有效的纳米TiO₂的催化表面并不是单个纳米粒子的表面积的总和，严重的粒子间团聚会大大减小有效的催化活性的表面积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备具有特殊球形海胆状形貌的TiO₂，方法易操作的石墨烯量子点敏化海胆状二氧化钛光催化材料的制备方法。

本发明的技术解决方案是：

一种石墨烯量子点敏化海胆状二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征是：包括下列步骤：

（一）纳米TiO₂粉末的制备：在无水的环境下将钛酸四丁酯的乙醇溶液注射进入含有正丁醇、氢氟酸、乙二醇、聚乙二醇、乙醇和水的混合溶液中，经过搅拌、油浴、离心清洗、烘干、研磨、煅烧制得纳米TiO₂粉末；

（二）热裂解法制备GQDs：将加热台预先加热到设定温度230 ℃，称取2g柠檬酸，使其平铺在广口烧杯底部上并置于加热台上，待样品逐渐溶解至透明溶液开始计时加热20 min；将加热完成后的柠檬酸用移液管逐滴加至0.5 M NaOH，磁力搅拌30 min，得到GQDs碱性水溶液；

（三）GQDs-TiO₂的制备：

（1）取10 ml步骤（二）制备好的的GQDs碱性水溶液于烧杯内；

（2）称取15.8 g氢氧化钠，加入上述装有GQDs碱性水溶液的烧杯内，加水定容至40 ml，磁力搅拌30 min，配置成含有10 M NaOH的GQDs强碱溶液；

（3）称取15.1 mgTiO₂，加入步骤(2)配置好的GQDs强碱溶液内，磁力搅拌30 min；

（4）将步骤（3）制备好的溶液倒入内衬有聚四氟乙烯的高压釜内，140℃反应8h；