[发明专利]TiO2-rGO复合光催化剂的水热制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及TiO₂-rGO复合光催化剂的水热制备方法。

技术背景

由于全球空气和水污染的日益严重，应用光催化降解有机污染物引起了越来越多的关注。二氧化钛是研究最广泛的、具有光催化活性的、能有效降解各种有机物的光催化剂之一。然而，二氧化钛光催化剂未能广泛应用，主要原因在于紫外光照射光下二氧化钛可以产生光生电子-空穴对，而光生电子-空穴对复合的速度比二氧化钛与吸附的污染物产生化学作用要快，使光催化效率降低。因此，目前面临的挑战是如何有效阻止电子-空穴对的复合，提高TiO₂的光催化活性。一系列的改性策略应用在TiO₂基纳米复合材料中，如贵金属沉积、阴阳离子掺杂、染料或量子点敏化、与其它半导体复合等。其中，用具有大比表面积和极好导电性的石墨烯来改性TiO₂以增强其光催化性能成为一个重要的研究方向。

石墨烯是由碳原子sp²杂化形成的单层二维石墨结构。石墨烯具有大的比表面积，可明显提高对各种有机物的吸附能力。此外，石墨烯还具有独特的电子性质，如高电子迁移率(250,000 cm²·V^-1·s^-1))，有望在光催化过程中作为光生电子的有效载体。研究结果表明：用机械或物理剥离法很难大规模制备石墨烯，而溶液化学法可大规模获得分散性良好的氧化石墨烯。但由于化学法使用了大量的强氧化剂，使氧化石墨烯表面产生了大量的含氧官能团，导致其差的导电性。如何把导电性能差的氧化石墨烯转变为高导电性的还原石墨烯成为当前国际研究领域中的重要课题之一。最近，许多研究者利用各种还原方法，如化学还原法——使用某些还原剂（水合肼、硼氢化钠、柠檬酸钠和维生素C等）、溶剂热法、紫外光辅助法、光催化还原法等，有效地把氧化石墨烯还原为还原石墨烯，大大提高了石墨烯对电子的传输能力，从而扩展了石墨烯的应用领域。

目前，在石墨烯与TiO₂复合材料的制备过程中，大多是采用加入各种外加剂作为还原剂的方法来还原氧化石墨烯。据我们所知，目前还没有发现有关在无需任何外加剂作为还原剂的情况下，以纯水为溶剂用水热法一步制备TiO₂和还原石墨烯复合（TiO₂-rGO）的高活性光催化剂的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提出一种TiO₂-rGO复合光催化剂的水热制备方法，其在无需任何外加剂作为还原剂的情况下，以纯水为溶剂一步制备高活性TiO₂-rGO复合光催化剂，所得的复合光催化剂表现出比纯TiO₂更高的光催化性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：TiO₂-rGO复合光催化剂的水热制备方法，其特征在于包括有以下依次步骤：

1）将0.5 g商业P25 TiO₂在200-800℃中进行预处理0.5-5 h；

2）将氧化石墨烯超声分散于去离子水中形成均匀的氧化石墨烯（GO）溶液，其中氧化石墨烯的浓度为0.0025-0.5 wt %；

3）将步骤1）预处理后的TiO₂分散到10 ml步骤2）配制的氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀形成稳定的TiO₂-GO悬浮液；

4）将步骤3）所得的TiO₂-GO悬浮液在100-200℃条件下水热处理0.5-10 h，所得产物洗涤3次，经真空干燥后，即得到TiO₂-rGO复合光催化剂。

按上述方案，步骤1）中TiO₂的预处理温度优选为350-600℃，预处理时间优选为1-3h。

按上述方案，步骤2）中氧化石墨烯的浓度优选为0.05-0.25 wt %。

按上述方案，步骤3）中悬浮液的水热处理温度优选为120-170℃，水热处理时间优选为2-5 h。

按上述方案，步骤4）所述的真空干燥的温度为30-100℃，干燥时间为3-12 h。

按上述方案，步骤4）所述的真空干燥的温度优选为40-80℃，干燥时间优选为6-8 h。