一种氧化石墨烯/二氧化钛‑活性炭三维复合材料及其制备方法与流程

本发明属于空气净化技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料及其制备方法。

背景技术：

随着社会的发展，人们对于居住环境的质量要求也日益增高，如何有效的去除空气中的有害气体，尤其是甲醛，成为了研究的热点。目前常用的甲醛去除方法是使用活性炭等多孔碳材料进行吸附，这种方法存在着无法彻底去除甲醛、放置至吸附饱和后即失活、以及活性炭材料表面甲醛浓度高造成脱附释放甲醛造成二次污染等问题。

光催化净化技术利用二氧化钛受紫外光激发所产生的电子-空穴对的强氧化性矿化降解有机污染物，具有能耗低、二次污染少、有效期长等优点。但在实际应用中仍然存在着电子空穴易复合以及二氧化钛与有毒气体分子碰撞几率较小导致光催化效率低的缺点。此外，光催化净化过程需要紫外灯常开，不利于人体健康。

在专利cn105642248a中介绍了一种空气净化器用甲醛复合滤网复合材料的制备方法，其用交联剂将二氧化钛和聚1,4-二苯基丁二炔沾贴在活性炭上以达到净化效果，这种方法中交联剂的使用阻碍了电子的传导，导致所制备的复合材料催化反应速率慢。所以研究一种能够对甲醛等voc有害气体快速、充分高效降解的光催化材料具有很重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种吸附性能良好、光催化降解效率高的氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料，所述三维复合材料由氧化石墨烯/二氧化钛复合材料直接均匀密集附着在活性炭滤网或碳纤维网表面得到。

按上述方案，所述氧化石墨烯/二氧化钛复合材料粒径为5-50nm。

本发明还提供上述氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料的制备方法，步骤如下：

1)制备氧化石墨烯/二氧化钛复合材料：采用超声分散的方法将氧化石墨烯分散于去离子水和醇的混合溶剂中，得到氧化石墨烯分散液，然后将混晶型纳米二氧化钛加入到所述氧化石墨烯分散液中，超声分散、搅拌交替两次，每次1-2小时，得到分散均匀的混合液，然后将所得混合液置于水热反应釜中进行水热反应，得到含氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的悬浊液；

2)制备氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料：将活性炭滤网或碳纤维网浸泡在步骤1)所得含氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的悬浊液中，超声处理再取出烘干，反复1-5次，得到氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料。

按上述方案，步骤1)所述醇为甲醇或乙醇；所述混合溶剂中醇与去离子水的体积比为5:1-1:5。

按上述方案，步骤1)所述氧化石墨烯分散液的质量浓度为0.01-0.1％。

按上述方案，步骤1)所述混合液中二氧化钛的质量浓度为1-10％。

按上述方案，步骤1)所述水热反应条件为：在100-200℃下反应1-8h。

本发明还包括上述氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料作为光催化材料的用途。

以及根据上述氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料制备得到的空气净化设备。

本发明所述的氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料基于物理吸附和光催化分解技术，将空气中的气体甲醛污染物通过“吸附存储-光催化分解”模式进行去除，可高效去除甲醛等有害气体，并且有效降低纯吸附模式可能带来的二次污染风险。

本发明采用“吸附存储-光催化分解”模式去除甲醛等有害气体：首先，通过改性的多孔碳材料对有毒气体进行吸附，实现有毒气体的富集；其次，通过二氧化钛对有害气体进行光催化降解，实现对于有毒气体的去除，其中氧化石墨烯的加入能够更快地将电子转移，可以减少光生电子与空穴的复合，增加光生电子的寿命，同时也可以减少二氧化钛纳米材料的团聚现象，增强其光催化活性。由于本发明采用的方法与制备工艺不需要使用粘接剂，因此不会产生因为添加粘接剂导致的光催化性能的下降。

本发明的有益效果在于：本发明采用超声的方法将氧化石墨烯/二氧化钛复合材料镶嵌在网状碳材料中，利用石墨烯极好的导电性与碳材料的网状结构，将二氧化钛经光照产生的光生电子更好地传送到活性炭的表面，从而将富集在活性炭表面的甲醛分子分解成为无毒无污染的水和二氧化碳，以达到对甲醛的彻底净化效果。测试结果表明，本发明所提供的氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料对甲醛有着优异的吸附性能以及光催化降解性能，经过该复合材料的吸附降解处理，在10h内对家居中的较低浓度甲醛(浓度为1.0mg/m³)去除率高达82.5-95.6％。

附图说明

图1为本发明实施例1-3所制备的氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料的光催化降解效率图；

图2为实施例3所制备的氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

制备氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料，步骤如下：

称取12mg的氧化石墨烯缓慢地加入到处于搅拌状态下的100ml水与20ml乙醇的溶液中，超声处理半小时，再搅拌半小时，使其充分混匀，得到氧化石墨烯分散液。

将1.2g粒径为5nm的混晶型二氧化钛缓慢的加入到上述处于搅拌状态下的氧化石墨烯分散液中，搅拌1小时后再进行超声1小时，这个过程重复两次，得到分散均匀的混合液；将所得的混合液倒入到含有四氟乙烯内衬的高压反应釜中，放入100℃的环境下反应1小时，取出，自然冷却至室温，得到含氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的悬浊液，待用。

裁剪一块5cm×5cm的活性炭滤网，在烘箱中在150℃下烘干半小时，然后将该活性炭滤网放入上述含氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的悬浊液中浸泡，保证其淹没在悬浊液中，超声5分钟，然后取出，平铺在烘干机里在150℃下烘干一小时，如此浸泡-烘干反复三次，得到氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料。

对本实施例所制备的二氧化钛/石墨烯-活性炭三维复合材料进行甲醛的光催化降解实验，具体方法如下：取一块制备好的氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料经保鲜膜包裹好放入到反应室(反应室容积为60l)内，盖上反应室顶上封盖，封住四周的环境，将甲醛挥发装置放入其中，待其挥发完全，达到平衡之后(此时甲醛浓度为1.0mg/m³)，将氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料充分暴露在反应室含有甲醛的空气之中，让其吸附3小时后开紫外灯光催化3小时，后静置待其中气体达到彻底平衡，测得本实施例所得到的复合材料在10h内对反应室内甲醛的去除率为82.5％。

实施例2

制备氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料，步骤如下：

称取100mg的氧化石墨烯缓慢地加入到处于搅拌状态下的20ml水与100ml乙醇的溶液中，在100hz的频率下超声处理半小时，再搅拌半小时，使其充分混匀，得到氧化石墨烯分散液。

将10g粒径约为50nm的混晶型二氧化钛缓慢的加入到处于搅拌状态下的氧化石墨烯分散液中，搅拌半小时后再进行超声半小时，这个过程重复两次，得到分散均匀的混合液；将所得的混合液倒入到含有四氟乙烯内衬的高压反应釜中，放入200℃的环境下反应8小时，取出，自然冷却至室温，得到含氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的悬浊液，待用。

裁剪一块5cm×5cm的活性炭滤网，在烘箱中在150℃下烘干半小时，然后将该活性炭滤网放入上述含氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的悬浊液中浸泡，保证其淹没在悬浊液中，超声5分钟，然后取出，平铺在烘干机里在150℃下烘干一小时，如此浸泡-烘干反复三次，取出，得到氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料。

采用与实施例1相同的方法测试本实验所制备的二氧化钛/石墨烯-活性炭三维复合材料对甲醛的光催化性能，测得本实施例所得到的复合材料在相同条件下对甲醛的去除率为90％。

实施例3

制备氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料，步骤如下：

称取30mg氧化石墨烯缓慢地加入到处于搅拌状态下的60ml水与20ml乙醇的溶液中，在100hz的频率下超声处理半小时，再搅拌半小时，使其充分混匀，得到氧化石墨烯分散液。

将1.6g粒径约为21nm的混晶型二氧化钛缓慢的加入到上述处于搅拌状态下的氧化石墨烯分散液中，搅拌半小时后再进行超声半小时，这个过程重复两次，得到分散均匀的混合液；将所得的混合液倒入到含有四氟乙烯内衬的高压反应釜中，放入150℃的环境下反应5小时，取出，自然冷却至室温，得到含氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的悬浊液，待用。

裁剪一块5cm×5cm的活性炭滤网，在烘箱中在150℃下烘干半小时，然后将该活性炭滤网放入上述含氧化石墨烯/二氧化钛复合材料的悬浊液中浸泡，保证其淹没在混合液中，超声5分钟，然后取出，平铺在烘干机里在150℃下烘干一小时，如此浸泡-烘干反复三次，取出，得到氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料。

采用与实施例1相同的方法测试本实验所制备的二氧化钛/石墨烯-活性炭三维复合材料对甲醛的光催化性能，测得本实施例所得到的复合材料在相同条件下对甲醛的去除率为95.6％。

如图1所示为实施例1-3所制备的氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料的光催化降解效率图，由图可知实施例3(原料中二氧化钛和氧化石墨烯的质量比为160:3)所得复合材料的光催化降解效果最好，10小时左右在60l反应室内对于甲醛的降解率达到95.6％(初始浓度1.0mg/m³)。

图2为本实施例所制备的氧化石墨烯/二氧化钛-活性炭三维复合材料的扫描电子显微镜照片，由图可见大小均匀的氧化石墨烯/二氧化钛复合材料密集附着在活性炭表面，氧化石墨烯/二氧化钛复合材料平均粒径为21nm左右。