[发明专利]硼掺杂石墨烯/TiO2纳米棒光催化材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米光催化材料技术领域，涉及一种硼掺杂石墨烯/金红石相TiO₂纳米棒复合光催化材料的制备方法，用制备过程简便的一步水热法制得具有较高光催化活性的光催化材料。 

背景技术

光催化技术是当今科学研究的热点，其应用范围十分广泛，如污水处理、空气净化、太阳能利用、抗菌、防雾、和自清洁功能等。二氧化钛因其优良的光催化性能、高活性、稳定性、无毒和低的价格成为一种理想的光催化材料，因此可能在能源再生和环境保护方面有极大的应用前景。但是二氧化钛大的禁带宽度（锐钛矿相3.2eV、金红石相3.0eV）使它对可见光的吸收效率较低，阻碍了光生电子-空穴对的产生进而影响光催化过程，所以二氧化钛在可见光范围内的光催化受到了限制。石墨烯自从被发现以来，由于其非常良好的光电特性，受到了广泛的研究和应用，特别是在光催化领域有着重要的应用，石墨烯的引入使体系具有更高的污染物吸附能力，增强的光吸收范围，增强的电荷转移和分离能力。其中，硼掺杂石墨烯相比于未掺杂石墨烯：有更高的导电性能、更大的表面负载自由电荷密度、更强的氮氧化物有害气体吸附（化学吸附），因此如果将硼掺杂石墨烯和TiO₂复合，将拥有比未掺杂石墨烯和TiO₂复合材料更高的光生电荷的分离率和更强的有害污染物吸附分解。

制备硼掺杂石墨烯的方法主要有高温热掺杂法和化学气相沉积法。专利《掺杂石墨烯及其制备方法》（专利号ZL200810113597.5，公告号CN101289181，公告日2010.09.01）采用化学气相沉积法制备掺杂石墨烯，衬底温度500～1200℃，需要催化剂。专利申请《一种掺杂石墨烯的制备方法及其用途》（申请号201010577424.6，公布号CN102486993，公布日2012.06.06）公开的制备方法中使石墨烯产生缺陷，在掺杂元素的气氛中500～1000℃退火。专利申请《一种掺杂石墨烯电极材料及其宏量制备方法和应用》（申请号201110260849.9，公布号CN102306781，公布日2012.01.04）在高温条件下，通入不同浓度的含氮元素或硼元素的气氛，实现石墨烯的异质原子的掺杂。专利《一种石墨烯、掺杂石墨烯或石墨烯复合物的制备方法》（专利号ZL201110306114.5，公告号CN102502593，公告日2013.07.10）中采用模板剂，通过气相化学沉积法或液相浸渍法制备得到掺杂石墨烯。专利申请《硼掺杂石墨烯及其制备方法》（申请号201210137221.4，公布号CN103382027，公布日2013.11.06）公开的方法中将无氧室中的衬底加热至500～1300℃，向无氧反应室内充入气体碳源和气体硼源，制成硼掺杂石墨烯。专利申请《一种硼掺杂石墨烯及其制备方法》（申请号201210171362.8，公布号CN103449408，公布日2013.12.18）中将氧化石墨置于惰性气体与硼源气体构成的混合气体氛围中，800～1100℃保温处理 0.5～2小时，将所得产物冷却至室温，得硼掺杂石墨烯。专利申请《硼掺杂石墨烯的制备方法》（申请号201210176572.6，公布号CN103449415，公布日2013.12.18）公开的方法中将衬底放置于化学气相沉积设备的反应室，加热温度为500～1300℃；在保护性气体氛围下，交替向所述反应室内通入气态碳源及气态硼源。专利申请《硼掺杂石墨烯的制备方法》（申请号201210176590.4，公布号CN103449416，公布日2013.12.18）中使石墨烯与三氧化二硼形成混合物；在氩气氛围下，将所述混合物升温至700～1500℃，冷却提纯，得到硼掺杂石墨烯。专利申请《硼掺杂石墨烯的制备方法》（申请号201210203203.1，公布号CN103508440，公布日2014.01.15）公开的方法中使石墨烯与三氧化二硼形成混合物；在保护性气体及气态硼源的混合氛围下，将所述混合物所处的环境温度升高至900～1100℃，并保持0.5h～3h，冷却到室温，提纯，得到硼掺杂石墨烯。专利申请《一种硼氮共掺杂石墨烯及其制备方法》（申请号201210206950.0，公布号CN103508445，公布日2014.01.15）提供的方法中按一定质量比取氧化石墨、尿素和三氧化二硼混合均匀置于反应器中；往反应器中通入保护性气体；以15～20℃/min的升温速度将反应器中的温度升温至800～900℃，并保持30min～2h；在流速为150～300ml/min 的保护性气体中降温至室温，制得硼氮共掺杂石墨烯。专利申请《掺杂氮或硼石墨烯/铝箔复合集流体、其制备方法、电化学电极及电化学电池或电容器》（申请号201210305295.4，公布号CN103633333，公布日2014.03.12）中将氧化石墨烯悬浮液涂布在铝箔上，60～100℃下干燥后，在BH₃/H₂或NH₃/H₂的气氛中，200～500℃还原，制备掺杂石墨烯。专利申请《一种硼掺杂石墨烯的制备方法》（申请号201310556311.1，公布号CN103613092，公布日2014.03.06）中将碳化硅高温热分解制备石墨烯，其中所述碳化硅中掺杂有硼。上述现有技术中存在的共同问题是制备过程中需要催化剂、模板剂，后处理过程中的酸洗会污染环境，制备工艺复杂、成本较高。而且反应设备要求较高，需要利用机械泵、罗茨泵及分子泵将反应室抽成无氧环境，而且需要将衬底加热至高温，制备过程耗能较高。因此，以目前常用的高温热掺杂法和化学气相沉积法制备硼掺杂石墨烯和二氧化钛光催化材料时，只能以两步法制备，专利申请《一种硼掺杂石墨烯纳米片复合TiO₂光催化剂的制备方法》（申请号201210536358.7，公布号CN102974333，公布日2013.03.20）公布了一种硼掺杂石墨烯纳米片复合 TiO₂光催化剂的两步制备方法，先采用真空还原与超声相结合的方法制备硼掺杂石墨烯纳米片，再采用超声混合法将P25与硼掺杂石墨烯纳米片直接复合在一起，两步制备法使得制备过程较为繁复，制备时间较长，而且二氧化钛不能很好的负载在石墨烯上，且复合材料中的光催化材料是直接采用商用P25二氧化钛，成本较高。