[发明专利]一种晶面可控的二氧化钛/石墨烯复合纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶面可控的二氧化钛/石墨烯复合纳米材料的制备方法，可用于紫外光降解有机污染物以及分解水制氢的环保和能源技术领域。

技术背景

随着人类社会的不断发展，人们对化石能源不断消耗，一方面经过千百万年所形成的化石能源消耗殆尽，另一方面，能源消耗所产生的废水、废气对人们赖以生存的自然环境造成巨大污染。能源和环境问题已经成为目前人类社会所面临的最主要问题之一。光催化技术是一种利用太阳能源降解环境有害污染物或者产生氢气等可再生能源的一种新兴技术，是解决目前能源和环境问题的有效方法。在众多半导体光催化材料中，二氧化钛由于其具有光催化活性高、无毒、物理化学性质稳定等众多优点，使其成为应用最广泛的光催化材料。然而，从商业化角度出发，二氧化钛的光催化活性还有待于进一步提高。而近期人们的研究表明，由于锐钛矿二氧化钛的晶体各相异性，使其不同的晶面表现出不同的反应活性，通过控制二氧化钛纳米晶的晶面及其比例可以大大提高其光催化活性。

石墨烯是一种具有片状结构的单层石墨，由于其本身所具有的特殊结构，使其在电学、热学以及机械性能方面具有特殊的性质，并在众多领域具有潜在的应用价值。由于其特殊的物理化学特性，研究石墨烯同其他材料的复合成为近期材料科学研究的热点。近期，人们发现将石墨烯同半导体光催化材料复合，可以有效促进光生载流子的分离，从而大大提高光催化材料的活性。二氧化钛/石墨烯复合纳米材料已经被广泛的研究，并且证明二氧化钛同石墨烯复合能够有效地提高二氧化钛的光催化活性。然而，所报道的二氧化钛/石墨烯复合纳米材料依然存在一些问题，如：二氧化钛易团聚、二氧化钛的晶面调控比较困难，等。这样大大降低了复合材料体系的比表面积，影响了其光催化活性。因此，制备具有晶面可控的二氧化钛/石墨烯复合纳米材料，对进一步提高二氧化钛纳米材料的光催化性质，促进其在实际生活中的应用具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶面可控的二氧化钛/石墨烯复合纳米材料的制备方法，该种复合纳米材料中，二氧化钛具有晶面可控性，并且在石墨烯表面具有高分散性。

一种晶面可控的二氧化钛/石墨烯复合纳米材料的制备方法，包括步骤如下：

(1)用现有通用的化学氧化石墨法制备片状结构的石墨烯氧化物；

(2)取石墨烯氧化物分散于去离子水中，超声分散20-40分钟得到分散均匀的前驱体溶液，前驱体溶液中石墨烯氧化物浓度为0.1～0.3mg/ml，然后在该溶液中加入(NH₄)₂TiF₆，搅拌均匀，使(NH₄)₂TiF₆在混合溶液中浓度为0.01～0.05mol/L，将混合溶液放入带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在150～170℃下反应4～24h，自然冷却至室温，将所得产物用去离子水洗涤、过滤后，真空干燥得具有特定晶面的二氧化钛/石墨烯复合纳米材料。

所述的化学氧化石墨法优选用浓硫酸和浓磷酸加石墨片与KMnO₄氧化。

上述制备方法得到的二氧化钛/石墨烯复合纳米材料，二氧化钛纳米颗粒均匀分散于石墨烯表面，晶相为锐钛矿二氧化钛，二氧化钛纳米颗粒有{001}与{100}晶面显露，或者{001}与{101}晶面显露。

二氧化钛所显露的晶面种类可以通过控制反应时间来调控，二氧化钛/石墨烯复合纳米材料中，二氧化钛纳米颗粒所表露的各晶面的比例可以通过控制初始反应物(NH₄)₂TiF₆的浓度来调控。

本发明所制备的二氧化钛/石墨烯复合纳米材料具有以下优点：

1、二氧化钛纳米颗粒具有特定的晶面，尺寸为200～600纳米，晶相为锐钛矿二氧化钛，且晶面及其比例可控；

2、二氧化钛在石墨烯表面具有高分散性，该结构能够在催化反应中提供更多的活性位点，因而具有更高催化活性；

3、二氧化钛同石墨烯之间由牢固的化学键结合，因此有利于二氧化钛同石墨烯之间的电荷传输，从而促进载流子分离，提高催化活性；

4、该复合纳米材料的制备方法简单，制备产率高，具有极大的产业化前景。

对本发明材料提出的光催化活性测试用如下方法进行：