[发明专利]一种过渡金属离子、稀土离子镧、钇掺杂改性TiO2石墨烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化氧化印染废水处理技术领域，特别涉及一种负载于石墨烯上的，掺杂有稀土元素、过渡金属离子的TiO₂复合型光催化剂的制备方法。

背景技术

水是人类生活和生产必不可少的重要自然资源，随着染料、纺织工业的迅速发展，染料的品种和数量日益增加，印染废水对自然生态的破坏和环境污染越来越严重。统计数据显示，印染行业每年排放的工业废水就达到23亿吨，占全国工业废水排放总量的10.6%，居全国各工业部门排放总量的第3位。印染废水具有色度深、COD高，酸碱性强等特点，一直是废水处理中的难题。少量印染废水排入水体就会降低水体透明度，影响水生生物和微生物生长，不利于水体自净，易造成视觉上的污染。因此，印染废水在进入水体之前必须经过处理，满足国家的排放要求。

自Carey等利用TiO₂悬浮液，在紫外光照射下降解多氯联苯和氰化物获得成功以来，光催化降解环境污染物成为近30年来广泛研究的水处理方法，其研究与开发工作呈逐年上升势头，每年有大量关于光催化研究方面的研究报道。

TiO₂是目前使用的半导体光催化材料之一，在实际使用过程中，存在两个突出问题：（1）需要紫外光才能活化，而辐射到地面的紫外光部分仅占太阳光的5%左右，所以太阳光的利用效率很低。（2）光生电子与空穴的复合几率高。因此，如何抑制光生电子－空穴对的复合，扩大激发光的波长范围，提高其对太阳光的利用率是目前光催化领域的研究热点。

提高TiO₂光催化活性的方法主要有：贵金属沉积、表面敏化等，贵金属沉积是将微量的Ag、Au、Pt、Pd、Ni等贵金属沉积到TiO₂表面来提高其催化活性。由于贵金属昂贵的价格，限制了该方法的实际使用。表面敏化是将一些光活性化合物（如染料、共轭聚合物）以物理或化学状态吸附在TiO₂表面，这些光活性物质可在可见光下有较大的激发因子，可扩展光催化剂活性波长范围。该方法主要应用于太阳能电池，在光催化降解有机物污染物方面并不合适，因为在光催化过程中这些光活性化合物自身也会被光催化降解。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明的目的在于提高TiO₂的光催化活性，基于该目的，本发明提供了一种TiO₂复合型光催化剂的制备方法，具体地说，是将石墨烯作为催化剂载体，在掺杂TiO₂的基础上，同时向复合型光催化剂中掺杂稀土元素和过渡金属离子。

制备方法为，先通过溶胶－凝胶法，将稀土元素镧、钇，以及过渡金属离子掺杂到TiO₂中，再通过水热反应，将掺杂改性TiO₂，负载到氧化石墨烯材料中，得到掺杂改性TiO₂/还原石墨烯复合材料。

具体为：

（1）将钛酸正丁酯加入无水乙醇中并不断搅拌，得到均匀透明的黄色溶液，再滴加入少量浓硝酸，调节pH值为2-3，滴加完后继续搅拌0.5-2小时，获得均匀透明的黄色溶液，为A液，

钛酸丁酯∶无水乙醇的体积比为1∶4；

（2）将硝酸镧、硝酸钇，配制成混合溶液，为B液，

溶剂为水或乙醇，溶液中，稀土元素离子（镧离子和钇离子）的总浓度为0.1—0.5mol/L，镧离子和钇离子的摩尔比为1：1——3：1；

（3）将上述2个步骤中得到的A液、B液混合，向混合液中加入过渡金属盐，搅拌均匀后，获得均匀透明的溶胶，陈化至溶胶失去流动性得到凝胶，

过渡金属盐为Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu金属盐中的一种或其中几种的混合，

本步骤中，控制钛离子、稀土元素离子、过渡金属离子之间的摩尔比为100：2—5：2—3；

（4）将步骤（3）中得到的凝胶烘干，将干凝胶研磨成粉末后，置于马弗炉中加热，升温、烧结、随炉冷却，得到掺杂改性TiO₂，

烘干温度为50—80℃，

升温速率为5-10℃/min，于400—600℃烧结1—2小时；

（5）将步骤（4）中得到的掺杂改性TiO₂，置于氧化石墨烯的水溶液中，并加入NaBH₄，搅拌、超声分散均匀，水热反应完全，自然冷却至室温，将反应物过滤、清洗、干燥，得到掺杂改性TiO₂/石墨烯复合材料，

氧化石墨烯分散液的浓度为0.1g/L-10g/L，