[发明专利]一种石墨烯掺杂Ag/TiO2

说明书

本发明公开一种石墨烯掺杂Ag/TiO₂光催化涂层及其制备方法，1）对工件进行预处理；2）制备石墨烯掺杂Ag/TiO₂复合浆料；3）将浆料通过机械滚轮压制在预处理后的工件表面上，形成基层；4）采用真空感应烧结法，将形成基层后的工件置于烧结模具中，烧结后在工件表面形成预置层；5）将带有预置层的工件置于激光加工设备中进行激光熔覆，即得石墨烯掺杂Ag/TiO₂光催化涂层。本发明方法提供的石墨烯掺杂Ag/TiO₂光催化涂层，能够解决缩短催化剂的禁带宽度使吸收光谱向可见光扩展来提高太阳能利用率的问题。本发明充分利用掺杂物的性质，增强三组分的协同效应，提高复合材料的光催化性能，增加对污染物的降解效率。

技术领域

本发明涉及光催化涂层领域，尤其涉及一种石墨烯掺杂Ag/TiO₂光催化涂层及其制备方法。

背景技术

近几年，由于光催化剂在各个领域都有潜在的应用价值，研究人员在发展新型光催化剂方面已经付出了巨大的努力。二氧化钛是一种无毒无害来源广泛的光催化材料，与其他半导体催化材料（CdS,SnO,ZnO,ZnS等等）相比，其光化学性能更加稳定，具有更高的催化效率和强氧化能力,综合考虑各方面的因素，TiO₂ 具有氧化能力强、降解完全和可以重复使用等优点，在污水处理、光电转换、清洁材料的制备等方面备受关注。 TiO₂因其自身无毒、廉价、无腐蚀性、广谱适用性强、光催化活性高、化学性质稳定等特点而成为广大科学工作者热门研究的光催化材料；更因其可以重复利用，且可能直接利用太阳光源作为反应光源等特点而被广泛应用于光催化降解有机污染物，是一种具有广阔发展及利用前景的绿色环境治理材料，已经成为最有应用前景的光催化剂。但TiO₂的带隙较宽(约 3.2eV)，只能在波长小于 378 nm 的紫外区显示光化学活性，对太阳能的利用率小于10%，同时其光生电子和空穴容易发生复合，而具有光氧化作用，从而降低光催化效率，这一性质使其推广应用受到限制。掺杂如金属离子,阴离子,不同半导体复合及贵金属修饰等方法提高光谱响应红移的一种有效办法，尤其是浅能级杂质掺杂更易将光谱响应移到可见光甚至近红外光范围，贵金属、过渡金属、稀土金属和镧系金属等掺杂 TiO2 形成的异质结光催化剂对光解水制氢、光降解有机物、CO 甲烷化和选择性有机燃料合成等反应体系具有优异的光催化活性和稳定性。相对于纯 TiO₂光催化剂的用途更为广泛，不仅可用于光催化降解水中的污染物，还可用作光降解薄膜、抗菌涂料等的填料。因此，如何通过掺杂来提高 TiO₂ 光催化活性是研究其光催化技术实用的关键。金属/非金属掺杂是降低 TiO 2 的带隙能和提高光能吸收能力的重要途径之一。

贵金属颗粒和半导体接触界面会形成肖特基势垒使电子从半导体向金属迁移，抑制电子和空穴的复合；贵金属表面的等离子共振效应也会增强对可见光的吸收，从而拓展TiO₂的光响应范围。银系材料作为优良的无机抗菌剂被广泛应用于多个领域，同时也是一种重要的无机光敏剂材料。相比 Pt、Au 和 Rh 等贵金属，通过控制银纳米粒子的结构、尺寸、形状等调整等离子体共振波长和共振强度，从而拓宽光催化剂吸收波长的响应范围，实现对可见光的有效利用。Ag在制备过程中更容易发生氧化和还原反应，更有利于纳米颗粒的形成，并且 Ag 的价格较为低廉，更适合实际应用。

石墨烯是一种新型的单原子厚度的二维石墨材料，其比表面积高达2600 m²/g，其特殊的二维平面结构及π－π共轭体系对染料有较强的吸附作用，使染料分子和负载在 GO表面的半导体光催化剂充分接触，使光催化过程更容易进行。其次，其良好的导电性及化学稳定性，使其可以充当电子传递的桥梁，降低半导体光催化剂光生电子与空穴的复合几率，从而增大光催化剂的光电活性。同时，石墨烯在复合物中起到掺杂的作用，将降低半导体光催化剂的禁带宽度，加强复合物在可见光区域的光催化性能。

发明内容