[发明专利]一种具有{001}晶面的二氧化钛片层/石墨烯复合薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种具有{001}晶面的二氧化钛片层/石墨烯复合薄膜的制备方法，该方法采用溶剂热的方法将{001}晶面的二氧化钛片层原位地生长在石墨烯薄膜的表面，石墨烯的固载化可有效地改善了光生载流子的传输路径，使得光催化反应中TiO₂产生激发电子容易传递到石墨烯薄膜上导出，从而有利于增强光激发电子的转移效率。此外，该薄膜材料也解决了粉体材料不稳定易团聚，难以重复利用的弊端。该制备过程具有可操作性强、易于工业化等优点，在污水处理领域，具有一定的应用价值和市场前景。此外，由于TiO₂自身应用范围广，还可将此薄膜应用于其他领域如太阳能电池、空气净化、抗菌、自清洁等。

技术领域

本发明属于光催化材料制备技术领域，具体涉及一种具有{001}晶面的二氧化钛片层/石墨烯复合薄膜的制备方法。

背景技术

半导体光催化技术是一种绿色、高效去除水体中有机污染物的方法。开发具有优异性能的半导体光催化材料一直是光催化技术研究的热点^[90,91]。在众多的半导体材料中，TiO₂具有无毒、低成本、稳定性好等优点，一直受到广大科研工作者的广泛关注。一般地，锐钛矿型TiO₂的光催化性能往往受制于其晶体形貌，更确切的说，是高活性晶面的暴露率及其原子排列的影响。例如，锐钛型TiO₂的三个主要晶面{001}{010}{101}的表面自由能分别为0.9J m^-2，0.53J m^-2，0.44J m^-2。由于光催化反应主要在催化剂的表面进行，而表面原子排列差异导致二氧化钛的催化活性依赖于表面原子组成。理论和实验研究均表明，二氧化钛{001}高活性晶面，较其它晶面具有更高的催化活性。然而，{001}面具有高表面能，但其很不稳定，在生长过程中极易转变成表面能较小的晶面。因此，具有特定{001}晶面的二氧化钛的调控得到了人们的广泛关注和研究兴趣。专利CN 102674451 A和专利CN 106241865A均采用水热的方法得到暴露晶面为{001}的TiO₂粉体材料，由于容易团聚而使其分散性能下降，严重削弱了TiO₂粉体的光催化性能，从而无法充分地利用{001}晶面的优异特性，同时难以回用。专利CN 102021551 B采用氢氟酸在金属钛或钛合金基底上刻蚀出{001}晶面占优的片层TiO₂混晶薄膜，解决了粉体材料在实际应用中的回收再利用的问题，然而实验中用到的氢氟酸试剂具有强腐蚀性，毒性较大且对环境造成巨大影响。此外，近年来有研究表明，将TiO₂与碳材料相结合可增强整个复合物的电荷分离速度，而石墨烯作为一种优良的导电性、热化学稳定性好及巨大的表面积的二维碳材料，将暴露{001}面的TiO₂与石墨烯结合并应用于高效的光催化领域是很有必要的。

本发明提出了一种具有{001}晶面的片层二氧化钛/石墨烯复合薄膜的制备方法，能够克服目前存在的问题，目前，国内外公开出版物以及专利尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有{001}晶面的二氧化钛片层/石墨烯复合薄膜的制备方法，该方法以TiF₄为钛源，氧化石墨薄膜为基底，采用溶剂热法原位地在薄膜表面生长出具有{001}片层的锐钛矿型TiO₂，同时氧化石墨在醇热的条件下被还原转变成石墨烯。该方法具有可操作性强、易于工业化等优点。当其作为光催化剂在紫外光照射下降解亚甲基蓝实验中，展示出较高的光催化活性，且可以循环反复使用，在污水处理领域，具有一定的应用价值和市场前景。此外，由于TiO₂自身应用范围广，还可将此薄膜应用于其他领域如太阳能电池、空气净化、抗菌、自清洁等。

本发明所述的一种具有{001}晶面的二氧化钛片层/石墨烯复合薄膜的制备方法，按下列步骤进行：

a、将氧化石墨1-30mg加入到10mL去离子水中，超声0.5-4小时，以保证氧化石墨均匀分散，然后真空抽滤，得到氧化石墨薄膜；