[发明专利]一种石墨烯-二氧化钛-凹土复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种石墨烯‑二氧化钛‑凹土复合材料其制备方法和应用。该方法包括：制备氧化石墨烯悬浮溶液；制备二氧化钛悬浮溶液；采用水热反应法将氧化石墨烯悬浮溶液、二氧化钛悬浮溶液和凹凸混合得到石墨烯‑二氧化钛‑凹土复合材料。本发明将具有优异材料性能的石墨烯和二氧化钛以及具有比表面积大的凹土进行复合，综合三种材料的优势，制备得到具有高电子传导率、高可循环性、高比表面积、高吸附能力、高强度、高光催化效应及高除菌净化能力的石墨烯‑二氧化钛‑凹土复合材料；该方法制备成本低，操作简单易行，有利于大规模生产的进行。

技术领域

本发明具体涉及一种石墨烯-二氧化钛-凹土复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

光触媒是一种具有光催化功能的光半导体材料，是目前国际上最安全和最洁净的环境净化材料。它具有能耗低、高催化率、使用寿命长、可重复使用，杀菌、净化等特点，广泛运用于消毒工程、油污降解工程、净化工程等领域。光触媒在应用过程所表现出的稳定性和可靠性逐渐被大家认同，是一种新型的环境净化材料。随着新型净化产业和新净化相关产品的不断涌现，光触媒优异的降解特性和光催化特性，逐渐成为大型环境净化的主要材料。根据光触媒的光吸收阈值与带隙的关系式K=1240/Eg（其中K是光吸收阈值，Eg是带隙）和空穴电子扩散方程：t=d²/k²D（d是粒径，k是常数，D是扩散系数），表明光催化半导体材料的宽带隙大程度决定了光吸收波长阈值，粒径决定了电子与空穴复合的机率。因此，越来愈多带隙小、粒径大的光催化半导体材料应用于环境净化的研究和生产。但是光催化半导体材料粒径越大其比表面积就越小，不利于目标物与催化剂接触。同时纯的光催化半导体材料光波吸收范围小、比表面积小，在自然光下太阳光能吸收率低，减弱了光催化效率。还由于纳米光催化材料尺寸很小，光催化产生的电子空穴对易重新复合，降低了分解效果。同时，目前人们制备光催化复合材料的合成方法比较复杂和繁琐，副产物较多，可循环使用性差，净化有害物质种类少。其次，反应所使用的钛源的价格高昂，降低了光催化复合材料的性能和实用价值。在研究中，二氧化钛的光催化效果最好，其氧化能力强，化学性质稳定无毒，所以制备其比表面积大可循环利用的二氧化钛复合材料在环境净化方面有重大作用。当TiO2纳米颗粒也存在比表面积小的缺点，阻碍了其在净化产业中更广泛的应用。

凹土是公认的在污水处理材料研究中具有巨大潜力的材料。其主要原因包括：(a)由于内部多孔道，比表面大，可达500m². g^-1以上。(b) 电化学性能稳定，不易被电解质所絮凝，在高温和盐水中稳定性良好。凹土具有表面活性中心，除吸附外，还有催化作用。(C) 在污水处理中，凹凸棒石粘土都可以再生，它耗能少，能脱色，还可除臭除味、除致癌物质，对环境保护非常有利。(d） 凹土吸附的能力强，其铅、铬等重金属离子及醛类、脂类、烃类等一定大小的有机分子，均可直接被吸附进孔道中。同时,凹土还具有灭菌、去毒、杀虫性的功能。

石墨烯是公认的在导电材料研究中具有巨大潜力的材料。其主要原因包括（a）石墨烯理论比表面积高达2630 m² g^-1，有利于吸附大量可待降解分子（b）载流子本征迁移率高达200 000 cm ² V^-1 s^-1，有利于电子的快速传输；（c）石墨烯具有非常优良的机械性能，纸状石墨烯薄膜具有高达217 kgf mm^-2 的硬度，是碳素钢硬度的两倍。