[发明专利]一种石墨烯/TiO2

说明书

一种石墨烯/TiO₂纳米复合材料及其制备方法，涉及光催化材料技术领域。复合材料结构中，TiO₂呈纳米片形貌，均匀且紧密地在生长于石墨烯上；TiO₂的晶格发生畸变，晶格畸变导致TiO₂的价带态密度发生变化；实现两相间紧密接触已达到石墨烯与TiO₂协同增强效应。利用多元醇的醚化反应生成乙醚和水，为TiO₂前驱体水解提供水，致使水解反应缓慢，使得TiO₂能在石墨烯上均匀形核与生长，实现相间紧密接触。与在水蒸气中合成的样品相比，在异丙醇蒸汽中合成的样品中TiO₂均匀且紧密地在生长于石墨烯上，并非粒子形貌，并且，TiO₂的晶格发生畸变，同时伴随着元素化学态和价带态密度变化，进而显著提高光催化降解性能。

技术领域

本发明涉及光催化材料技术领域，具体是涉及一种石墨烯/TiO₂纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

四方对称的锐钛矿TiO₂广泛应用于光催化材料领域，其带隙宽度为E_g～3.2eV。因此，激发电子-空穴对需要光子能量hν≥3.2eV或波长λ387nm，意味着TiO₂响应的波长范围在紫外光区域，少于太阳辐射总能量的5％。因此，拓宽它的光谱响应范围成为一个重要的研究方向。然而，光催化剂性能是由光谱响应范围、光子转换效率、光生载流子有效分离与快速迁移之间的协同效应所决定的。电子-空穴复合的时间间隔大约在10ns～100ns，远快于它们被捕获和转移所需的时间(100ns～1ms)，导致大部分载流子在迁移到催化剂表面之前就复合而消失，致使催化降解性能降低。因此，如何抑制载流子复合成为亟待解决的问题。研究人员开辟了多种途径来解决这些问题，包括元素掺杂、与窄带隙半导体复合、贵金属或量子点表面修饰、暴露晶面调控、与纳米碳材料复合。其中，将TiO₂与石墨烯复合受到广泛关注与研究。

石墨烯是碳原子通过sp²键结合在一起排列成蜂窝状的原子片。它具有高热导率high thermal conductivity(～5000W m^-1K^-1)、非常快速的载流子迁移率(200 000cm²V^-1s^-1)、非常大的理论比表面积(2630m²g^-1)，就光催化降解应用而言，人们相信，将石墨烯与TiO₂进行复合对于提高光催化性能是很有前景的一个途径，这主要基于以下三个方面的考虑：(1) 增强对污染物分子的吸附能力。例如，亚甲基蓝分子易于吸附到石墨烯表面(π-π共轭)。 (2)拓展了光吸收范围，因为Ti-O-C化学键使吸收边产生红移。(3)抑制光生载流子复合。从TiO₂转移到石墨烯的光生电子能够快速迁移走，使电子与空穴的复合几率降低，有效促进TiO₂中光生电子-空穴对的分离[Zhang,H.；Lv,X.J.；Li,Y.M.；Wang,Y.；Li,J.H. P25-Graphene Composite as a High Performance Photocatalyst.ACS Nano 2010,4,380–386] [Zhang,X.Y.；Li,H.P.；Cui,X.L.；Lin,Y.H.Graphene/TiO₂nanocomposites:synthesis, characterization and application in hydrogen evolution from waterphotocatalytic splitting.J. Mater.Chem.2010,20,2801–2806]。然而，从众多的报道可以看出，石墨烯的作用能否得到充分发挥仍面临众多复杂的因素。具体来说，对于已知的石墨烯-TiO₂复合物，光催化性能依赖于石墨烯的分布、石墨烯表面修饰[Shiyi Cao,TianguiLiu,Yuenhong Tsang,Chuansheng Chen,Role of hydroxylation modification on thestructure and property of reduced graphene oxide/TiO₂hybrids,Applied SurfaceScience 382(2016)225–238.]、TiO₂的结晶相(如锐钛矿/ 金红石)、石墨烯与TiO₂的质量比和界面，而这些因素又高度依赖于合成方法和条件，因此，文献报道的结果千差万别甚至相互冲突也就不足为奇。