[发明专利]一种纳米二氧化钛负载石墨烯高活性催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及光催化剂技术领域，尤其涉及一种纳米二氧化钛负载石墨烯高活性催化剂的制备方法。其包括以下步骤：a.将钛源与液态二氧化碳混合后，与水反应，水解得到二氧化钛；b.向上述反应体系中加入镍基催化剂，并通入氢气，加热至900‑1100℃，反应，得到纳米二氧化钛负载石墨烯。本申请首先在液态二氧化碳中，通过水解钛源合成二氧化钛，使得二氧化钛在二氧化碳内均匀分布。然后直接用镍基催化剂活化二氧化碳，使得二氧化碳作为碳源，利用二氧化碳加氢反应制备得到石墨烯。从而使得二氧化钛和石墨烯均匀地结合，以提高二氧化钛负载石墨烯催化剂的催化性能。

技术领域

本发明涉及光催化剂技术领域，尤其涉及一种纳米二氧化钛负载石墨烯高活性催化剂的制备方法。

背景技术

太阳光给我们人类带来的好处毫无疑问的，多少年以来，人们都误以为阳光中的紫外线在起消毒作用，但是科学界的最新发现证实了真正起净化作用的是羟基（氢氧基），而不是纯粹的紫外光，大自然的紫外线是通过和空气中的水分化合以后，产生了羟基（氢氧基），羟基是生物系统的重要组成部分，并通过分解有害物质来确保大气层空气适合人类的居住，这才是我们大自然空气得以净化的真正原因。

羟基-OH，又称氢氧基，是一种常见的极性基团。羟基主要有醇羟基，酚羟基等。是由一个氢原子和一个氧原子组成的一价原子团（OH）。羟基氧化能力极强，与大多数有机污染物都可以发生快速的链式反应，无选择性地把有害物质氧化成CO₂、H₂O或矿物盐，无二次污染。羟基是大自然中最重要的氧化剂，不仅能降解超过5千种以上的有机化合物—远远超过普通氧化剂，还能能消除VOCs、臭氧、甲烷、过氧化物等等，且其1秒不到就分解—不会积累。羟基还是大自然中最强的氧化剂之一，其比臭氧、过氧化物反应强烈，自由活跃的反应链比正负离子反应快，且氧化性仅次于氟，但是氟不能自然产生。羟基还对人类、植物和动物都安全，其是和氢氧基一起共生性地进化过来的，不会渗透到皮肤、粘膜和植物表皮里面，在组织里产生，从而支持免疫系统的反应。因此，亟需一种能够催化羟基的产生的催化剂。

目前开发较多的半导体光催化剂有CdS、TiO₂、ZnO等。具有性能稳定、光催化活性高、矿化程度高及无二次污染等优点的TiO₂在众多半导体催化剂中有着举足轻重的地位。二氧化钛的能级是由一个较低的能级带(VB)和一个空的较高的能级带(CB)组成的，而在两能级带之间的区域是禁带，其能量用Eg表示。当具有能量大于Eg的光照射到二氧化钛催化剂表面时，半导体内的电子受到激发从价带(VB)跃迁至导带(CB)，形成高活性的光生电子(e^-)和空穴(h⁺)对，而e^-和h⁺分别是良好的还原剂和氧化剂，它们分别与吸附在半导体表面的H₂O和O₂发生一系列能量转移的反应，最终反应生成具有强氧化性和超强活性的-OH。

虽然TiO₂光催化技术已在各领域有诸多研究和应用，但光催化技术的一些不足之处阻碍了该技术更广泛和更深入的发展，比如二氧化钛不能充分利用太阳光，催化剂粉末难以回收重复利用，富集污染物的能力低，还有自身的e^-和h⁺对的复合等等，这些问题严重的削弱了二氧化钛光催化氧化的能力。

石墨烯仅有一个原子的厚度，目前是世界上发现的最单薄的材料。石墨烯具有比表面积大，透光性好的优点；石墨烯是介于导体和半导体问零带隙的材料，而在石墨烯中的载流子既可以是空穴也可以是电子，石墨烯因有可供电子自由移动的电子云，导致其电子迁移速率较快，且不受温度变化的影响，己成为材料学和物理学领域的研究热点。石墨烯以及基于石墨烯的碳材料被广泛用于改善光催化效率的复合光催化剂中，通过石墨烯与TiO₂的复合，使得TiO₂光催化剂的e^-和h⁺可以有效地分离，增大TiO₂表面的氧化物种的富集程度，以提高光催化活性。