[发明专利]一种石墨烯复合纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种石墨烯复合纳米材料及其制备方法，该发明一方面通过B、N的双重改性作用，相比未掺杂的石墨烯具有更高的导电性、更大的表面负载自由电荷密度以及在掺杂的同时能够有效的将氧化石墨烯的结构缺陷进行修复，从而形成光性能和稳定性良好的掺杂石墨烯；另一方面，本发明通过将二氧化钛与掺杂的石墨烯二者进行耦合，产生协同互补效应，并且光生电子将传递至石墨烯的能带上，从而降低空穴和电子的复合率，也使得二氧化钛的禁带变窄，扩展了光响应范围，从而极大改善了光催化性能，所制备的复合材料性能十分优异。

技术领域

本发明属于纳米材料的应用技术领域，具体涉及一种石墨烯复合纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

对纳米材料的研究是当今科学研究中一个前沿领域，也是全世界许多科学工作者研究的热点。纳米材料的神奇之处和还不为人们所识的方面更是引起了人们的广泛关注；对纳米材料进行制备的研究和应用更是目前的热点和难点，也是发展高科技的重点。

光催化技术是当今科学研究的热点，其应用范围十分广泛，如污水处理、空气净化、太阳能利用、抗菌、防雾、和自清洁功能等。而光催化技术的发展主要依赖于光催化材料的创新和研制，发展高活性、高稳定性的光催化材料是光催化技术的关键，而将纳米技术应用于光催化材料的研发中是近年来光催化技术进步的重要标志之一，开发优良理想的纳米光催化材料将是今后一个时期内光催化技术研究的重要方向。

TiO₂是一种宽禁带半导体，只能被波长较短的紫外光激发，这对于利用只有4％的紫外光含量的太阳光极为不利；另外光激发TiO₂所产生的光生电子-空穴复合率高，导致光量子效率低，光催化性能不突出，这也是半导体类光催化剂在实际应用中受到限制的主要原因。石墨烯自从被发现以来，由于其非常良好的光电特性，受到了广泛的研究和应用，特别是在光催化领域有着重要的应用，石墨烯层片共轭芳香结构表面的疏水性有利于其吸附异质表面来降低表面自由能，利用该自组织过程构筑表面异质结结构可以提高复合光催化剂的光催化活性，同时石墨烯有利于提高其吸附量。因此，通过石墨烯与半导体光催化材料复合的石墨烯复合光催化剂粉体是一种具有高吸附量和高催化活性的新型光催化材料。其中，硼掺杂石墨烯相比于末掺杂石墨烯有更高的导电性能、更大的表面负载自由电荷密度以及更强的氮氧化物有害气体吸附(化学吸附)；而N元素掺杂也能提高其电学性能，这是由于N原子具有与C原子近似的原子半径，并可以作为电子供体，在与石墨烯掺杂后生成的氮掺杂石墨烯表现出更高的导电性能。然而现有技术中还没有同时以B、N掺杂来双重化学改性石墨烯以共同作用来提高其性能的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯复合纳米材料，该复合纳米材料一方面以B、N元素对石墨烯进行共同改性以改进石墨烯的光性能；另一方面将改性后的石墨烯与TiO2光催化剂进行复合形成复合材料，从而增加光的吸收和拓宽光吸收的范围以得到高性能的复合光催化材料。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种石墨烯复合纳米材料的制备方法，所述复合纳米材料为TiO₂/硼氮共掺杂石墨烯材料，所述材料的制备方法具体包括如下步骤：

(1)硼氮共掺杂石墨烯的制备：称取10～20g氧化石墨烯，加入20～40mL的去离子水，超声分散得到氧化石墨烯分散液，然后在不断的搅拌下，往上述分散液中加入0.5～1.5g硼氢化钠以及1～3g尿素，并将得到的混合液转移到水热反应釜中于150～200℃反应12-18h，得沉淀物，洗涤、干燥即得硼氮共掺杂石墨烯；