[发明专利]新颖的二氧化钛-石墨烯纳米复合材料及其制法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯的方法、石墨烯的表面改性方法、制备TiO₂-石墨烯纳米复合材料的方法，及所述方法的产物，特别是涉及一种用于光催化的TiO₂-石墨烯纳米复合材料及其原料的制备方法。

背景技术

光催化技术在废水处理、气体净化、杀菌、自洁材料、染料敏化太阳能电池、化妆品、气体传感器等许多领域有着广泛的应用。目前，用于光催化剂的多为N型半导体，其中TiO₂因其具有无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好、廉价易得等优点，是目前最常用的光催化剂。

TiO₂是一种宽禁带半导体，只能被波长较短的紫外光激发，这对于利用只有4%的紫外光含量的太阳光极为不利；另外光激发TiO₂所产生的光生电子-空穴复合率高，导致光量子效率低，光催化性能不突出，这也是半导体类光催化剂在实际应用中受到限制的主要原因。掺杂是提高TiO₂在可见光区域的吸收以及光催化活性的有效途径之一。其中，非金属掺杂如C、N、S等的掺杂均有报道，这些掺杂离子进入锐钛矿型TiO₂晶格，占据氧位置，或成为间隙离子，降低带隙宽度，或形成杂质能级，使掺杂后TiO₂的光吸收扩展至可见光区域。其中TiO₂与碳的复合物(TiO₂-C)被认为是一种极具潜力的净化空气和水的光催化剂。目前已有关于TiO₂与活性炭、碳纳米管和富勒烯等复合物的研究报道，并且每种材料均显示了优异的光催化效果。但是仍然有一些问题影响着此类复合物的实际应用，例如:在光催化过程中催化剂吸附能力的降低，到达催化剂表面的激发光的强度降低以及催化剂的再生问题等，因此，制备一种光催化性能高并且可以回收再利用的TiO₂-C光催化剂将极具应用前景。

石墨烯(Graphene)是近年来被发现的二维的碳原子晶体，具有比碳纳米管更优异的电学性质，以及良好的导电性和化学稳定性，这使得其可以成为比碳纳米管更优的电子或空穴传递的多功能材料。自发现以来，石墨烯被受到了广泛的关注，迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来的研究热点。因此利用石墨烯的特殊结构，将TiO₂颗粒复合生长于石墨烯片层上，既能增大TiO₂的光催化面积，又能增大光生载流子的传输速率，大大力高TiO₂的光催化效率。

目前对石墨烯-TiO₂复合光催化性能的研究较少。文献CHinese Sci Bull，January 2011,Vol.56,No.3:331-339报道其中一种方法，其是采用硫酸钛与氧化石墨烯混合后再进行水解反应生成石墨烯-TiO₂纳米复合材料，但是水解的TiO₂容易团聚结块，没有良好的分散在石墨烯片层上；CN101890344是以氧化石墨和钛盐前躯体为原料，通过水热法一步制备石墨烯-TiO₂纳米复合材料，其缺点是制备的TiO₂的生长形貌没有择优取向，为比表面积较小的球状结构，并且容易团聚；CN101704511A公布了一种具有可见光催化活性的TiO₂纳米管(或TiO₂纳米线)阵列异质结的制备方法，这个方法解决了TiO₂纳米管/线阵列对太阳光利用率较低的问题，但所采用的阳极氧化法对pH要求严格，高pH值的电解液能制备较长的纳米管阵列，但表面会覆盖许多沉淀物，低pH值的电解液得到的纳米管阵列虽然表面干净，但纳米阵列短。

现有TiO₂光催化剂的制备存在纳米管长度短，且易团聚的问题。同时对于氧化还原石墨烯材料，在氧化还原过程中引入了大量的缺陷和未被还原的含氧基团，这些缺陷与含氧基团在纳米复合材料的制备中的最初纳米颗粒生成阶段，为纳米颗粒生长在石墨烯表面提供了成核中心，正是由于这些成核中心的存在使纳米颗粒可以顺利负载于石墨烯表面。但是石墨烯表面这些含氧基团与缺陷存在及分布有其随机性，这种不可控性必将影响到在石墨烯表面纳米颗粒的负载，同时也会造成纳米颗粒间的堆积，严重影响了光催化性能。

发明内容

本发明的目的是获得具备优异光催化性能的TiO₂-石墨烯纳米复合材料，因此本发明的第一方面提供一种用于制备石墨烯的方法，其包含以下步骤：