[发明专利]可见光响应的镍钛水滑石与石墨烯复合光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于可见光分解水制氧光催化剂领域，特别涉及一种可见光响应的镍钛水滑石与石墨烯复合光催化剂及其制备方法。

背景技术

近年来，由于全球性的能源短缺，可见光催化制氢制氧这一绿色无毒的新型清洁能源制备手段日益引起科学家们的广泛关注。从充分利用太阳光的角度出发，制备一种在可见光下有光催化活性的光催化剂具有极其重大的现实意义。

目前开发的光催化剂制氧主要集中于TiO₂,WO₃等半导体化合物，但由于其活性低以及抗光腐蚀性差等问题，极大的限制了催化材料的应用和发展。

水滑石（Hydrotalcite）是一类阴离子型粘土，其晶体呈层状结构，层板是由+2价的金属离子和+3价或者+4价的金属离子组成，两种金属由氧桥基相连，再由羟基包围形成八面体结构，由于层板上有过量的正电荷，层间含有水分子和可交换的阴离子保持材料成电中性。类水滑石的一大特点就是可以大量生产，仅在简单的水溶液体系通过调变pH，温度等手段就能合成。此外，类水滑石层板的不同阳离子和层间阴离子可选择性的提高类水滑石的光吸收性能，提高对光的稳定性。镍钛水滑石的能带间隙比较窄，只有2.1eV，被认为是一种理想的可见光催化剂。但由于纯的镍钛水滑石易团聚，降低其表面积，使其吸附性能下降，光生电子空穴不能及时有效的分离，限制了其光催化活性。目前为止，还未有报道通过掺杂，载体支撑等手段提高其光催化活性。

石墨烯是单原子层紧密堆积的二维晶体结构，其中碳原子以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内。每个碳原子通过б键与临近的三个碳原子相连，S，Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键，组成sp2杂化结构，具有120°的键角，赋予石墨烯极高的力学性能。剩余的Pz轨道的π电子在与平面垂直的方向形成π轨道，此π电子可以在石墨烯晶体平面内自由移动，从而使得石墨烯具有良好的导电性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光响应的镍钛水滑石与石墨烯复合光催化剂及其制备方法。

本发明采用原位负载技术，以石墨烯为电子传输体模板，将镍钛水滑石均匀沉积在模板表面。

本发明所述的制备方法为：

将1-25mg石墨烯超声分散在50-100ml去离子水中，超声功率100-300W，超声时间20-60min；然后加入2.32-3.49g硝酸镍，用浓盐酸调节体系pH为3-5，搅拌30-60min；然后加入150-350μL TiCl₄溶液，该TiCl₄溶液中含0.001-0.004mol TiCl₄，搅拌溶解；最后加入5.0-15.0g尿素，70-100℃温度下于水热恒温体系中反应18-24h；产物用去离子水离心洗涤至中性，干燥后即为可见光响应的镍钛水滑石与石墨烯复合光催化剂。

上述可见光响应的镍钛水滑石与石墨烯复合光催化剂，其中石墨烯质量为镍钛水滑石质量的0.1-20%；所述镍钛水滑石的化学式为：[Ni²⁺_1-xTi⁴⁺_x(OH)₂]^x+·(CO₃^2-)_x/2·mH₂O，其中，0.14≤x≤0.2；m为结晶水数量，取值范围为0.5-9。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）采用石墨烯为电子传输体模板，在表面沉积粒径均一，分散性好的镍钛水滑石与石墨烯复合光催化剂，提供了比较大的表面积和更多的活性中心；（2）石墨烯的超导电性，有利于光生电子空穴的快速分离，大大提高了光催化制氧产率；（3）氧化石墨还原得到石墨烯，是通过温度控制得来，没有用任何还原剂，对环境无污染。

本发明通过调控水滑石层板上不同价态金属的组成比例以及载体石墨烯的负载量，可以得到一系列性能优越、在可见光下具有高效分解水制氧效果的光催化剂，且光催化性能大大优于传统的WO₃光催化剂。本发明生产的催化剂性能稳定性好，再循环寿命长且价格低廉，易于大规模生产。

附图说明

图1是实施例1、2和3所制得的镍钛水滑石与石墨烯复合光催化剂的XRD图。

图2是实施例1、2和3所制得的镍钛水滑石与石墨烯复合光催化剂的SEM图。

图3是实施例1、2和3所制得的镍钛水滑石与石墨烯复合光催化剂的TEM图。