[发明专利]一种石墨烯量子点复合二氧化钛纳米管光催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及无机纳米催化剂技术领域，尤其是涉及一种石墨烯量子点复合二氧化钛纳米管光催化剂，包括表面密布有若干石墨烯量子点的二氧化钛纳米管，其中石墨烯量子点的平均尺寸为3‑5nm，以及其制备方法，包括被还原的石墨烯量子点的制备、二氧化钛纳米管的制备以及一种石墨烯量子点复合二氧化钛纳米管光催化剂的制备。本发明使用二氧化钛纳米管作为二氧化钛骨架，其刚性较大并且不易团聚，也具有很大的比表面积与有效面积，并且制备中先还原石墨烯量子点表面多余的羰基等基团后再进行复合，有效暴露光催化活性位点，具有很高的催化效率；反应效率高、工艺简单、步骤少、成本低、安全性好，适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及无机纳米催化剂技术领域，尤其是涉及一种石墨烯量子点复合二氧化钛纳米管光催化剂及其制备方法。

背景技术

随着工业发展，环境污染引起的环境保护问题成为大家广泛关注的社会问题。人们普遍认为，氢可能是解决能源枯竭、污染和气候变化三大问题的最佳选择。当今水的光催化被认为是产氢的最有前途的方法之一，且光催化技术是一种高效、安全的环境友好型环境净化技术。

许多光催化剂已被报道催化氢从水溶液中演化,在这些光催化剂中，TiO₂因其优异的光催化性能、易获得性、长期稳定性和无毒性而成为最有前途的光催化剂之一，但TiO₂的禁带宽度较大，如锐钛矿型TiO₂的禁带宽度E=3.2eV，只能吸收波长较短的紫外线，而这部分的光仅占太阳光能的3%～5%，因此该催化剂对太阳能的利用率较低。此外，在光催化降解过程中，通过光激发产生的电子-空穴对具有很高的活性，非常容易复合，使得光催化反应的量子效率很低。为了提升它的性能，基于光响应范围以及光生电子-空穴对的寿命这两大影响因素，利用金属非金属元素进行掺杂、与半导体材料耦合以及与其他诸如碳纳米管等材料进行复合等各种方式进行修饰，成为研究者的主要手段。

石墨烯量子点作为一种新型碳纳米材料，可提高可见光的利用率，与无机半导体材料复合应用于光催化领域备受关注。因此，也有部分人将石墨烯量子点与TiO₂复合，以减小禁带宽度，提高催化效率。例如公开号为CN107008246A的“石墨烯量子点敏化海胆状二氧化钛光催化材料的制备方法”，包括纳米TiO₂粉末的制备、热裂解法制备GQDs、GQDs-TiO₂的制备等步骤，但是该方法制备步骤多、制备工艺复杂，制备中还使用了氢氟酸等有较大危险性的试剂，不仅降低实验的安全性，还容易产生二次污染；并且制备得到的球型海胆状TiO₂容易发生团聚的情况，导致实际的比表面积较小、对光源接收的有效面积小。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中制备步骤多、制备工艺复杂、原料危险性与污染性较大并且球状产物易团聚影响比表面积的缺点，提供一种石墨烯量子点复合二氧化钛纳米管光催化剂及其制备方法，使用二氧化钛纳米管作为催化剂的骨架，拥有较大的有效利用面积，同时避免使用氟化氢等有较大危险性的试剂，制备安全性高，并且制备工艺简单、条件温和。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种石墨烯量子点复合二氧化钛纳米管光催化剂，包括表面密布有若干石墨烯量子点的二氧化钛纳米管，其中石墨烯量子点的平均尺寸为3-5nm。

本发明的一种石墨烯量子点复合二氧化钛纳米管光催化剂使用二氧化钛纳米管作为二氧化钛骨架，其刚性较大并且不易团聚，在具有很大的比表面积的同时也具有很大的有效面积，因此具有很高的催化效率；同时二氧化钛骨架上密布有3-5nm的石墨烯量子点，它结合了石墨烯与量子点的优异性能，既具有相似于传统半导体量子点可调的激发/发射波长、强光致发光、特殊的双光子激发以及良好的电化学性能等优点，又能够有效地克服传统半导体量子点高毒性和生物相容性差的缺陷，并且来源广泛，易于合成和功能化，另外石墨烯量子点还具有比表面积大、成本低、无毒等优点，对部分有机物分子有强大吸附力，借助石墨烯量子点可提高可见光的利用率。