[发明专利]一种Cu2O-TiO2/还原石墨烯三元复合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种可见光响应的Cu₂O-TiO₂/还原石墨烯(RGO)三元复合物及其制备方法和应用，属于光催化技术领域。

技术背景

近二十年来，能源危机、环境污染和温室效应日趋严重，极大地激发了人们对太阳能利用的研究兴趣，光催化净化技术已成为该领域的研究热点。在这一领域，尽管人们对多种光催化材料进行了研究，但纳米n型半导体材料TiO₂以其良好的光催化活性和稳定性以及无毒、价廉、容易回收利用等优点而成为当前最具有应用潜力的光催化剂。

然而，纳米TiO₂的禁带宽度为3.2eV，只有吸收波长等于或小于387nm的紫外光才能产生活性，这严重制约了纳米TiO₂在光催化领域中的广泛应用。此外，纳米TiO₂的光生电子－空穴对易于复合以及其粉体材料容易团聚等因素都极大地影响了其性能的发挥。

发明内容

本发明的目的是提供一种可见光响应的纳米尺度的高活性Cu₂O-TiO₂/RGO三元复合物及其高效的制备方法。

本发明的另一目的旨在提供上述三元复合物应用作为高活性、可对有机物进行高效降解的可见光响应的光催化剂。

本发明的复合物，是由立方相Cu₂O和锐钛矿TiO₂纳米粒子负载在还原石墨烯上复合而成；所述的复合物中Cu₂O、TiO₂和还原石墨烯的质量百分数的范围分别为40%–85%、5%–50%和3%–20%。

所述的复合物中Cu₂O、TiO₂和还原石墨烯的质量百分数的范围分别为40%–60%、30%–50%和5%–15%。

发明人注意到Cu₂O是一种p型半导体材料，其禁带宽度仅为2.0eV，作为可见光响应的光催化材料在太阳能光解水制氢和太阳能光催化降解有机污染物方面引起了人们广泛的关注。但纯Cu₂O内部的光生电子－空穴对的复合速率高，光量子效率低。通过研究，发明人尝试着提供一种Cu₂O-TiO₂/RGO三元复合物来提高可见光响应。但如何有效地设定TiO₂和Cu₂O在RGO上的配合量很重要。在Cu₂O-TiO₂/RGO三元复合体系中，一般认为只有Cu₂O才能在可见光激发下产生光生电子和空穴，而TiO₂和RGO仅作为Cu₂O中光生电子的受体，提高Cu₂O中光生电子－空穴的分离效果。发明人因此在实验之初以为Cu₂O含量越高，对三元复合物的光催化活性越有利，但发明人通过实验发现，事实却不是如此。当Cu₂O含量较低时，本发明复合物的光催化活性随其含量的增加而增大，对比例1–3验证了此结果；当Cu₂O质量百分数为45%左右，本发明的复合物可以达到较高的光催化效果，实施例1充分说明了此结果；但随着Cu₂O含量继续增加，复合物的光催化效果却有所降低，这从实施例2、3可看出。

本发明复合物还有一个意料之外的优势在于是可以在10W左右普通的节能荧光灯（波长范围为400–750nm）照射下实现对机污染物有效的降解，而大多数文献则以300–500W的氙灯或金属卤灯模拟太阳光或作为可见光光源，因此，本发明具有更高的光催化效率。例如，Khalid等人(N.R.Khalid,E.Ahmed,Z.Hong,et al.Graphene modified Nd/TiO₂photocatalyst for methyl orange degradation under visible light irradiation.Ceramics International,2013,39(4),3569–3575)通过溶胶-凝胶法结合水热法制备了Nd-TiO₂/RGO复合物光催化剂，以400W的金属卤灯为光源，在其可见光区域光催化降解甲基橙，经3h照射，甲基橙的降解率约为60%（扣除了未光照时催化剂对甲基橙的吸附率），远低于本发明的三元复合物以11W普通的节能荧光灯（波长范围为400～750nm）为光源光催化降解甲基橙的效果（具体见实施例1）