[发明专利]一种石墨烯基复合可见光催化材料的制备方法

说明书

技术领域

     本发明涉及光催化材料，特指一种石墨烯基复合可见光催化材料的制备方法，特别是指一种用水热法制备微纳结构石墨烯基三体系复合可见光催化材料的方法，属于复合材料、光催化技术和水污染治理领域。

背景技术

众所周知，二氧化钛作为半导体光催化材料获得了广泛的关注，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；研究表明，具有高比例且形貌可控的{001}面二氧化钛纳米片在紫外光照射下表现出优异的光催化性能。

磷酸银作为一种新型的光催化材料，在可见光激发下，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；但是，制备磷酸银使用了含银的化合物使得制备成本偏高，另外制备出的磷酸银材料的尺寸都偏大且形貌难以控制，而且磷酸银材料的化学稳定性较差。

    石墨烯是碳材料的有一种同素异形体，是一种良好的载体材料，在其上面负载纳米颗粒可以得到很好的分散性；更为重要的是，石墨烯还是一种电子受体材料，将石墨烯与二氧化钛复合，在两种材料的界面，二氧化钛导带上的光激发电子会转移到石墨烯的能带上，从而大大降低了电子-空穴对的复合率，是二氧化钛具有更高的催化活性，由于能带的调整，石墨烯还能发挥光敏剂的作用，是二氧化钛的光吸收范围扩大到可见光区，有效提高了对太阳能的利用率。

    石墨烯与二氧化钛复合所制备的复合光催化剂已经表现出了优异的性能，研究人员又通过水热法合成了石墨烯/磷酸银/二氧化钛复合光催化材料，利用这种方法得到了比表面积大、热稳定性高的双功能的可见光光催化材料，而且这种材料还具有较强的光催化活性和较好的降解有机污染物的性能；但是，这种方法是在分散均匀的硝酸银溶液中直接滴加磷酸氢二钠，反应迅速生成磷酸银黄色沉淀，并与氧化石墨烯和二氧化钛进行复合的，由于反应的速度过快会导致磷酸银颗粒大面积的聚集，从而生成颗粒较大的球形磷酸银结构，而且，这种材料的结构并不可控，形貌并不规则，在一定程度上会影响材料的光催化性能和降解有机污染物的能力；目前以二氧化钛纳米片、硝酸银、磷酸盐和氧化石墨烯为原料，利用控制磷酸银与二氧化钛纳米片之间的协同效应提高复合材料的光催化活性，通过水热法制备具有微纳结构三体系复合可见光催化材料，并将其应用于光催化降解有机污染物未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流程简单、环境友好、成本低廉制备的微纳结构复合可见光催化材料的方法，制备的复合光催化材料具有广泛的可见光响应特性和优异的可见光光催化降解污染物性能。

    实现本发明所采用的技术方案为：以氧化石墨烯为前体材料，通过水热法将二氧化钛纳米片和磷酸银颗粒均匀地复合在石墨烯基体上，其具体制备方法步骤如下：

(1) 将氧化石墨烯溶于去离子水中，超声分散均匀得到浓度为0.06-0.6 wt%的氧化石墨烯分散液；

(2) 将硝酸银溶解到去离子水中，得到硝酸银溶液；搅拌条件下将硝酸银溶液加入到上述氧化石墨烯分散液中，搅拌6-12h，得到混合前驱体溶液A，混合溶液中硝酸银的浓度为0.15 mol/L；

(3) 将二氧化钛纳米片溶于去离子水中超声分散，得到二氧化钛分散液；搅拌条件下滴加到上述混合前驱体溶液A中，得到混合溶液B，混合溶液B中二氧化钛的浓度为0.48-1.8 wt%；

(4) 将磷酸盐溶于去离子水中，得到浓度为0.15 mol/L的磷酸盐溶液；

(5) 搅拌条件下，将步骤(4)制备的磷酸盐溶液逐滴加入步骤(3)所制备的混合溶液B中，反应体系出现灰绿色浑浊，磷酸盐溶液与混合溶液B的体积比为1 : 4，滴加完毕后得到的混合溶液继续搅拌30-60 min后转移到聚四氟乙烯内胆中，并将内胆密封到不锈钢水热反应釜中，160-200°C条件下反应20-30 h，反应结束后反应釜自然冷却至室温，所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤后真空干燥。

步骤3中所述的磷酸盐为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠或磷酸钠。

所述二氧化钛纳米片制备步骤如下：

(1) 将氢氟酸加入去离子水中，得到氢氟酸溶液，溶液中氢氟酸的质量比例为50%；

(2) 在磁力搅拌条件下，将钛酸四丁酯逐滴缓慢加入步骤(1)所制备的氢氟酸溶液中，反应体系中出现白色浑浊，钛酸四丁酯和氢氟酸溶液的体积比为5：8；