[发明专利]一种缺陷态单层石墨烯薄膜及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种缺陷态单层石墨烯薄膜及制备方法和应用，所述制备方法为：将铜箔放置在低压CVD系统中，在H₂/Ar还原气氛的保护下，高温催化裂解甲烷分子在铜箔表面生长单层石墨烯薄膜；随后利用湿法转移过程将铜箔上的石墨烯薄膜转移至SiO₂/Si衬底上；利用等离子刻蚀技术在石墨烯薄膜的表面构筑新的缺陷位点。本发明制备的缺陷态单层石墨烯作为催化剂在臭氧作用下，将臭氧分子吸附到边缘活性位点附近，通过分子间电荷的转移催化产生•OH，实现水体环境中有机污染物的高效去除。

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种制备缺陷态单层石墨烯薄膜的制备方法和其臭氧催化降解应用。

背景技术

臭氧催化氧化是近些年发展起来的一种应用于环境治理修复的新型氧化技术。臭氧分子由于其具有较高的氧化电位(2.07V)，可以直接在水中或者催化剂的表面氧化大多数的有机污染物。单纯的臭氧氧化技术存在产物选择性差的问题，副产物经常是有害的小分子有机物，对环境依然存在威胁。使用催化剂诱导臭氧分子裂解产生的活性氧自由基(·OH、·O₂^-及¹O₂等)可以丰富污染底物的氧化方式，不仅能够提高臭氧分子的利用效率，而且这些氧化能力更高的活性氧自由基能够提高污染底物的矿化效率，直接转变成为无污染的CO₂和H₂O。

目前，最常使用的臭氧催化剂主要有金属氧化物(MnO₂、Ni₂O₃、Co₂O₃、Fe₂O₃、CuO、Al₂O₃、TiO₂等)、矿物质(ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、Ce_0.1Fe_0.9OOH等)和纳米碳催化剂(活性炭、石墨烯、碳纳米管等)。相比于含有金属元素的金属基的催化剂，纳米碳催化剂不仅可以降低臭氧催化技术的操作成本，而且可以完全避免金属离子溶出易造成二次污染环境的问题。纳米碳材料表面的含氧官能团、结构的缺陷位点、异原子的掺杂位点以及富电子位点通常被归结为臭氧活化的反应中心。经过近二十年的发展，尽管碳基催化剂在效率提升和催化机理揭示方面都取得了很大的进步。然而，由于先前报道的碳基催化剂，使用的都是宏观块体、粉末或者多层的纳米碳催化剂。石墨烯剂催化剂的原子利用效率低，且粉体碳催化剂在实际的水体环境修复中回收分离困难，不利于实际的工业化应用推广。

为此提供一种可以原子利用率高、催化效率高和易回收分离的碳基催化剂去应用于臭氧催化剂技术极为迫切。

发明内容

本发明的目的所要解决的问题是：现有的石墨烯基催化剂在臭氧催化技术应用中存在的原子利用效率低、催化剂回收分离难的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种缺陷态单层石墨烯薄膜及制备方法和应用，本发明制备的缺陷态单层石墨烯作为催化剂在臭氧作用下，将臭氧分子吸附到边缘活性位点附近，通过分子间电荷的转移催化产生·OH，实现水体环境中有机污染物的高效去除。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种缺陷态单层石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)：将铜箔放置在CVD系统的石英管中部，以100-300sccm的流速通入还原性的气体H₂/Ar混合气；其中，H₂/Ar混合气的比例为10％-90％，CVD系统的压力控制在5-10Pa；

步骤2)：将CVD管式炉以1.5个小时内从25℃上升至900℃，随后在30分钟内从900℃上升至1000℃；将甲烷气体以15-100sccm的流速通入，控制甲烷分解生长的时间为1-2小时；得到铜箔上生长的单层石墨烯薄膜；