[发明专利]一种贵金属/石墨烯复合二氧化钛光催化剂的制备及其在空气净化中的应用

说明书

本发明提供了一种贵金属/石墨烯复合二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：向溶剂中依次加入表面活性剂和贵金属盐或贵金属酸溶液，搅拌均匀，调节pH为7.0‑10.0，再加入二氧化钛粉末和还原剂，在室温下反应1‑4小时，分离出固体A；S2：将步骤S1中制备的固体A和氧化石墨烯粉末加入乙醇水溶液中，进行水热反应，得到贵金属/石墨烯复合二氧化钛。该光催化剂的光催化效率高。

技术领域

本发明涉及一种贵金属/石墨烯复合二氧化钛光催化剂的制备及其在空气净化中应用，属于光催化技术领域。

背景技术

随着室内装修的普及，伴随而来的是建材对室内环境的污染。普通人对自己家里以及公共场所中的空气质量的好坏越来越重视，在《室内空气质量标准》GBT 1882-2002这份文件对室内各种有机物浓度上限都有相关规定。目前市面上的空气净化类产品种类繁多，鱼龙混杂，效果参差不齐。

通常建材释放有机污染气体是一个长久的过程，许多空气净化产品只是跟污染气体进行一次性的化学反应，因此无法长期维持良好空气质量。而光催化剂在合适条件下能持续降解有机污染物，是处理室内空气质量问题的一个有效解决办法。

最常见的光催化剂是二氧化钛，在一定的光照条件下其内部会产生电子、空穴对，电子、空穴会与其表面吸附的的OH^-、H₂O、O₂等发生反应生成自由基，这些自由基具有氧化还原特性，能引发多种反应。

二氧化钛作为一种光催化剂，它的催化效率还有待提高，主要原因是：1.二氧化钛光能禁带宽度较宽，有3.2V，光谱的吸收阈值是387nm，只能利用太阳光谱的紫外光部分；2.二氧化钛光催化剂的光生电子、空穴复合率高，因此量子效率低。为了提高二氧化钛的催化效率，需要对其改性，最常见的改性就是掺杂一些金属或非金属物质，比如石墨烯或贵金属等。

石墨烯是一种二维单层原子晶体材料，具有许多优异性能，如高强度：其杨氏模量可达1100GPa，断裂强度达到125GPa，比世界上最好的钢铁还要高；高导热性：石墨烯的热导率是5000W.m^-1.K^-1,是铜的十倍；高载流子迁移率，其载流子迁移率是200000cm².V^-1.S^-1,是单晶硅的100倍。除此之外，石墨烯还有高比表面积、高载流子浓度、和高稳定性等一系列特性。

虽然石墨烯有很多优越的特性，但他是非极性物质，且层与层之间有范德华力，因此很难将石墨烯在水或其他极性溶剂中分散。而氧化石墨烯表面有许多极性光能团，如羟、羧基、环氧光能团，因此可以轻易地分散在水中。对氧化石墨烯进行还原可以去掉其表面官能团，此方法可用于大量制备石墨烯。

把二氧化钛负载在石墨烯上可以增加催化剂的比表面积，提高对污染物的吸附性。同时由于石墨烯有高载流子迁移速率，可以有效捕获光生电子，降低电子空穴复合机率。更有研究发现负载石墨烯后的二氧化钛响应性光谱向可见光方向移动(Hao Zhang,Xiaojun Lv,Yueming Li,Ying Wang,and Jinghong Li*ACS NANO VOL.4·NO.1·380–386·2010)

贵金属(如铂、金、银、钌、钯)掺杂可以有效提高二氧化钛的催化效率，这是因为贵金属的费米能级比二氧化钛低，因此二氧化钛的光生电子能够传递到贵金属上，从而能够降低光生电子和空穴复合几率。特定的贵金属纳米粒子可与太阳光中可见光与红外光作用，产生表面等离子体共振效应，可使二氧化钛对可见光及红外部分光源响应(MengyeWang,Meidan Ye,James Iocozzia,Changjian Lin,*and Zhiqun Lin*Adv.Sci.2016,3,1600024)。

但是，现有的在二氧化钛上同时掺杂石墨烯和贵金属的方法操作复杂，制备出的二氧化钛光催化剂的光催化效率和降解空气中污染物的能力也不是很理想。

发明内容