[发明专利]一种微纳结构多功能复合材料及其制备方法

说明书

技术领域  

    本发明涉及一种磷酸银立方体/P25/氧化石墨烯微纳结构多功能复合材料及其制备方法和应用，特别是指一种基于电荷自组装的溶液体系离子交换法制备形貌规则、结构可控的氧化石墨烯/磷酸银/P25微纳结构多功能复合材料的方法，属于复合材料、光催化材料、环保材料和污染治理等领域。

背景技术

 随着工业的发展，人类本已有限的水资源受到日益严重的污染，清除水体中的有毒有害化学物质如农药、有机染料等成为环保领域的重要工作，但目前水污染的处理方法大多是针对排放量大、浓度较高的污染物，对于水体中浓度低、难以转化的优先污染物的净化还无能为力，而80年代发展起来的光催化降解技术却为这一问题的解决提供了良好的途径。 

    二氧化钛作为半导体光催化材料获得广泛关注，但是，二氧化钛光吸收范围较窄（仅限于紫外光区）、量子效率较低，特别是其可见光响应程度低导致其在可见光照射下光催化活性有限，磷酸银作为一种新型的光催化材料，在可见光激发下，由于具有分散的能带结构，禁带宽度相对较窄，使得光生载流子的复合速率大大降低，量子效率得到很大提高，从而表现出优异的可见光光催化活性；此外，氧化石墨烯是一种二维片状纳米材料，具有比表面积大、吸附能力强等优点，同时，氧化石墨烯表面具有较多的亲水功能团，将氧化石墨烯应用于复合材料的制备中，其表面所带的负电荷不仅能够为带正电荷的银离子提供更多的反应点，从而能够将磷酸银的成核和生长控制在氧化石墨烯的表面，从而达到有效控制磷酸银尺寸和形貌的作用，另一方面由于石墨烯良好的溶解分散性，其和磷酸银的有效复合能够显著改善复合材料的分散溶解性能，随着制备氧化石墨烯工艺的改进和成本的降低，将氧化石墨烯用于复合体系，还可以大大降低成本。 

我们的发明专利[201210380447.7]通过将微米级的球形磷酸银颗粒和P25纳米颗粒有效复合到氧化石墨烯表面，构建出了磷酸银/P25/氧化石墨烯三体系异质结构，虽然该氧化石墨烯/磷酸银/P25三体系复合材料具有较好的可见光光催化活性以及抑制杀灭细菌的能力，但是复合材料中磷酸银的颗粒尺寸较大，且所得到的磷酸银形貌为不规则的球形颗粒，其形貌和结构缺乏有效的调控，在一定程度上影响复合材料的应用性能。 

目前以商业化P25、硝酸银、磷酸盐和氧化石墨烯为原料，利用氨水进行形貌调控，在溶液体系中通过离子交换法快速制备磷酸银立方体/P25/氧化石墨烯微纳结构多功能复合材料，并将其应用于光催化降解有机污染物和抑制杀灭细菌和微生物未见报道。 

发明内容    

    本发明的目的在于发展一种成本低廉、方法简单、绿色环保的制备磷酸银立方体/P25/氧化石墨烯多功能微纳结构复合材料的制备技术，所制备的材料具有规则的形貌结构、高效的可见光光催化性能、更好的降解有机污染物的能力以及较强的光谱杀菌性能。    

    实现本发明所采用的技术方案为：以氧化石墨烯为前驱体，将微米结构的磷酸银立方体和P25纳米颗粒有效组装到氧化石墨烯片层上，并用氨水对其形貌结构进行调控，其具体步骤为：

    (1) 将氧化石墨烯溶于去离子水中超声得到氧化石墨烯分散液；

   (2) 将硝酸银溶解到去离子水中，得到硝酸银溶液；在磁力搅拌器搅拌的条件下将硝酸银溶液加入到上述氧化石墨烯分散液中，缓慢搅拌均匀，得到混合前驱体溶液A；

  （3）将氨水缓慢滴加到混合前驱体溶液A中，继续缓慢搅拌均匀，得到混合前驱体溶液B，混合前驱体溶液B中硝酸银溶液的浓度为0.48 wt%，氧化石墨烯的浓度为0.01-0.15 wt%，氨水的浓度为0.056 mol/L；

  （4）将磷酸氢二钠溶于去离子水中，得到浓度为0.15 mol/L的磷酸氢二钠溶液；

  （5）在磁力搅拌条件下，将步骤(4)制备的磷酸氢二钠溶液逐滴缓慢加入步骤(3)所制备的混合前驱体溶液B中，直至反应体系中出现棕黄色浑浊停止滴加，继续缓慢搅拌，得到棕黄色体系C；

  （6）将P25溶于去离子水中超声分散，得到浓度为0.1-0.3 wt%的P25分散液；在磁力搅拌器搅拌的条件下缓慢滴加到上述棕黄色体系C中；滴加完毕后得到的混合溶液中P25与氧化石墨烯的质量比为0.15-4.5：1，混合溶液继续搅拌30-60 min，所得产物抽滤后用无水乙醇和去离子水反复洗涤多次后真空干燥。

    与现有技术相比，本发明具有如下优点：