一种TiO2/石墨烯复合光催化剂及其制备方法与流程

本发明涉及光催化技术，特别涉及一种tio2/石墨烯复合光催化剂及其制备方。

背景技术：

近年来，随着我国国民生活水平的不断提高，工业化进程的不断深入，有机废水中的有毒难降解有机污染物处理成为了我国环境治理中不可忽视的问题。目前国内企业大多采用生物脱氮工艺处理有机废水，但出水的各项指标，尤其是水中有机污染物难以达到一级排放标准，因此，实施有机废水的深度处理成为了发展趋势。

光催化技术作为一种新型的绿色高级氧化技术，因其反应条件温和、污染物降解彻底、无二次污染等优点，在有机污染物治理领域中表现出了极大的应用前景。二氧化钛（tio2）因其廉价易得、化学性质稳定、光催化效率高等优点，成为了应用最广泛的光催化剂。但是，纯tio2的禁带宽度较大，对可见光的响应较差，光催化降解过程中，光生电子-空穴的复合速率快，光催化反应的量子效率较低。此外，二氧化钛粉末在固液体系中回收困难，可重复利用性差的缺点极大的限制了tio2光催化剂的应用。由此可见，光催化剂在实际应用中仍存在着很多问题，目前光催化领域中许多研究者对此做了大量研究工作和发展策略来解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种tio2/石墨烯复合光催化剂及其制备方，该催化剂具有高催化效率、高稳定性等性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种tio2/石墨烯复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

s1：称取氧化石墨溶于乙醇中；

s2：将s1得到的溶液置于超声波清洗机中处理后，再加入异丙醇溶液；

s3：向s2得到的混合溶液中，再加入氟钛酸铵和硼酸混合溶液，并搅拌；

s4：将s3获得的混合溶液移入在高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中，进行水热反应；

s5：将反应完的产物经水洗、干燥即得tio2/石墨烯复合光催化剂。

作为优选，tio2/石墨烯复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

s1：称取氧化石墨溶于乙醇中；

s2：将s1得到的溶液置于超声波清洗机中，超声处理30~120min后，加入异丙醇溶液，其中，氧化石墨的质量、乙醇的体积和异丙醇的体积之比为：10~50mg∶10~25ml∶5~15ml；

s3：再向s2得到的混合溶液中，加入摩尔比为1:3的氟钛酸铵和硼酸混合溶液25ml，所述氟钛酸铵的浓度为0.05mol/l，并搅拌1h；

s4：将s3获得的混合溶液移入在高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中，进行水热反应；

所述反应过程中，温度条件为100~150^oc，水热反应16~24h；

s5：将反应完的产物经水洗、干燥即得tio2/石墨烯复合光催化剂。

作为进一步的优选，作为优选，tio2/石墨烯复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

s1：称取氧化石墨溶于乙醇中；

s2：将s1得到的溶液置于超声波清洗机中，超声处理30min后，加入异丙醇溶液；

其中，氧化石墨的质量、乙醇的体积和异丙醇的体积之比为：50mg∶10ml∶10ml；

s3：再向s2得到的混合溶液中，加入摩尔比为1:3的氟钛酸铵和硼酸混合溶液25ml，所述氟钛酸铵的浓度为0.05mol/l，并搅拌1h；

s4：将s3获得的混合溶液移入在高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中，进行水热反应；

所述反应过程中，温度条件为140^oc，水热反应16h；

s5：将反应完的产物经水洗、干燥即得tio2/石墨烯复合光催化剂。

一种tio2/石墨烯复合光催化剂，采用上述方法制备所得，所述tio2/石墨烯复合光催化剂中石墨烯含量9%~33%。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

1、本发明方法制备催化剂时钛源的选择是氟钛酸铵，反应物以水热法的方式负载到石墨烯表层，在表面上逐渐形核长大，能够有更好的分散。

2、本发明方法使得tio2与石墨烯间紧密复合，提高光催化活性、缩短了禁带宽度、有效提高光催化降解效率。

3、本发明得到的催化剂环保简单，没有引入其他添加剂，不会对环境产生太多不利影响，没有产生副产物。

4、本发明得到的催化剂具有较好的光催化降解效果，制备得到的催化剂在5min时就具有82%的降解率，在25min的降解率可高达98%。

附图说明

图1为本发明的tio2/石墨烯光催化剂降解罗丹明b溶液曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明方法将二氧化钛负载在高比表面积的基体材料上是一种有效的解决手段。石墨烯作为一种具有超高的比表面积(可达2600m²/g)的二维平面材料，是一个良好的复合材料的基底。同时，石墨烯还具有优异的电学性质，一个良好的电子受体，能够将光生电子很快的传导到表面，抑制了电子-空穴的复合。

本发明要求保护制备的tio2/石墨烯复合光催化剂的方法，还需要保护通过该方法制备的产物，即tio2/石墨烯复合光催化剂。

实施例1：一种tio2/石墨烯复合光催化剂的制备方法，tio2为主要活性组分，石墨烯作为催化剂载体，且石墨烯含量为10mg。

其制备过程包括以下步骤：

将10mg的氧化石墨加入10ml乙醇中超声30min；然后加入10ml异丙醇溶液，并搅拌1h；

之后再加入摩尔比为1:3的氟钛酸铵(0.05mol/l)和硼酸混合溶液25ml，搅拌1h；将所得溶液移入高压反应釜中进行水热反应，在120^oc条件下反应20h，最后将反应完的产物经洗涤、干燥即得到tio2/石墨烯复合光催化剂。

经过测定，tio2/石墨烯复合光催化剂中石墨烯含量为9%。

实施例2：一种tio2/石墨烯复合光催化剂的制备方法，tio2为主要活性组分，石墨烯作为催化剂载体，且石墨烯含量为30mg。

其制备过程包括以下步骤：

将30mg的氧化石墨加入10ml乙醇中超声30min；然后加入10ml异丙醇溶液，并搅拌1h；之后再加入摩尔比为1:3的氟钛酸铵(0.05mol/l)和硼酸混合溶液25ml，搅拌1h；将所得溶液移入高压反应釜中进行水热反应，在140^oc条件下反应20h，最后将反应完的产物经洗涤、干燥即得到tio2/石墨烯复合光催化剂。

经过测定，tio2/石墨烯复合光催化剂中石墨烯含量为23%。

实施例3：一种tio2/石墨烯复合光催化剂的制备方法，tio2为主要活性组分，石墨烯作为催化剂载体，且石墨烯含量为50mg。

其制备过程包括以下步骤：

将50mg的氧化石墨加入10ml乙醇中超声30min；然后加入10ml异丙醇溶液，并搅拌1h；之后再加入摩尔比为1:3的氟钛酸铵(0.05mol/l)和硼酸混合溶液25ml，搅拌1h；将所得溶液移入高压反应釜中进行水热反应，在140^oc条件下反应16h，最后将反应完的产物经洗涤、干燥即得到tio2/石墨烯复合光催化剂。

经过测定，tio2/石墨烯复合光催化剂中石墨烯含量为33%。

催化剂性能评价

分别取实例1~3制备的催化剂，以及购买的商业tio2催化剂，共计4个样本，分别取10mg所制备的光催化剂加入50ml的10mg/l的罗丹明b溶液中，将其放入暗场暗吸附30min，达到脱吸附平衡；此时取样一次；再使用紫外光灯照射辐射悬浮液25min，每5min取样一次，使用离心机5500r/min离心3min，吸取上清液3ml放入石英池中，采用紫外-可见分光光度计来测量该溶液的吸收光谱来得到上清液中罗丹明b的浓度。实验后，不同水热条件对光催化效果的影响见图1。

图1中，横坐标为反应时间，纵坐标为某一时刻下的浓度与初始浓度的比值。

由图可知，相比于单独的tio2，本发明制备的tio2/石墨烯复合光催化剂的光催化效果有了明显的提升，对罗丹明b溶液的降解效果均好于纯tio2样品（对照组降解效率仅为74.6%），实例1~3得到的催化剂样品的最终效率分别达到了98.2%，98.8%，96.7%。在反应5min到10min这段时间内，催化反应速率有了快速增长，其中实例3获得的催化剂的反应速率最快。

还可以采取如下配方和控制条件tio2/石墨烯复合光催化剂，具体参见表1，实施例4-10中制备tio2/石墨烯复合光催化剂的方法与实施1-3相同，不通之处仅在于各个步骤中的参数选择。

表1

经光催化性能测试，结果表明在上述范围内水热条件下得到的tio2/石墨烯复合光催化剂对罗丹明b溶液的降解效果相比于商业tio2，均有一定提升，这归因于tio2在石墨烯表面上形核长大，能够有更好的分散，且使得tio2与石墨烯间形成了的化学键，二者接触面积更大，提高了光催化活性、缩短了禁带宽度；这也说明了在石墨烯含量在9%~33%时，石墨烯的存在能有效提高光催化降解效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。