[发明专利]一种非金属三维宏观结构石墨烯-有机物气溶胶光催化剂

说明书

技术领域

本发明属于光催化剂领域，具体涉及一种非金属三维宏观结构石墨烯-有机物气溶胶光催化剂的制备方法及其在可见光下催化加氢芳香族硝基化合物至相应的芳香族胺类化合物和可见光催化去除污染物Cr(VI)的应用。

背景技术

环境污染和能源短缺是当前人类面临的重大挑战，亦是实现人类社会可持续发展必须优先考虑的重大课题。半导体光催化技术作为一项利用太阳能来直接驱动一系列重要化学反应的绿色技术，由于其操作简单、反应条件温和(常温常压)、能耗低、以及适用范围广等特点，被认为是从根本上解决全球能源和环境问题的理想途径之一。然而，传统半导体光催化剂多为金属氧化物或金属硫化物，常常包含稀有昂贵的(如Ti,Nb,Ta,In)、甚至有毒的(如Cd）金属元素，导致催化剂的制备价格昂贵、易造成环境污染等。此外，传统半导体光催化剂的量子效率和太阳能利用率仍然较低，远不能满足实际应用的需求。

有机染料，作为一类重要的具有优良光吸收能力的非金属材料，近年来被广泛应用于太阳能染料敏化电池领域，其具有原材料丰富、成本低等特点，在大面积工业化生产应用中具有较大的优势。在光催化领域，利用有机染料作为光催化剂的研究已有报道，但相比于传统半导体光催化剂在光催化领域的广泛研究和应用，非金属有机染料光催化剂的研究仍处于初步阶段。在目前报道的多数文献中，有机物染料多溶解于反应溶剂，造成非金属有机染料光催化剂与反应物和产物的分离困难，也不利于催化剂的回收利用。因此，积极开发新型有效、成本低廉、环境友好且易于分离回收的非金属光催化剂对促进光催化科学技术在太阳能催化转换及能源环境方面的实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非金属三维宏观结构石墨烯-有机物（RGO-EY）气溶胶光催化剂的制备方法和应用，制备的RGO-EY具有显著的可见光响应特性和良好的光催化选择性氢化芳香族硝基化合物至相应的芳香族胺基化合物活性，并且具有可见光催化还原去除污染物Cr(VI)的性能。该催化剂的制备方法简单，原材料来源丰富，成本低廉，对环境友好，并且易于分离回收。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非金属三维宏观结构石墨烯-有机物（RGO-EY）气溶胶光催化剂不包含金属元素，具有三维宏观气溶胶结构。

制备如上所述的RGO-EY气溶胶光催化剂的方法包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯（GO）、水（H₂O）、有机物曙红（EY，C₂₀H₆Br₄Na₂O）超声混合均匀，120~200oC水热处理6~48h，得到亲水性的三维石墨烯-有机物（RGO-EY）固体；

（2）将所得的固体冷冻干燥处理，得到非金属三维宏观结构疏水的石墨烯-有机物（RGO-EY）气溶胶光催化剂。

所述的氧化石墨烯、水和有机曙红的质量比为：60:60000:1~4:4000:1；冷冻干燥时间为：12~72h

所述的石墨烯-有机物气溶胶光催化剂用于水相中可见光下选择性氢化芳香族硝基化合物至相应的芳香族胺基化合物。

所述的石墨烯-有机物气溶胶光催化剂用于可见光光催化还原去除污染物六价铬Cr(VI)。

所述的芳香族硝基化合物为下列结构：

中的任意一种。

光催化选择性氢化硝基芳香化合物至相应的胺基芳香化合物具体步骤如下：

（1）取60mL10ppm的芳香族硝基化合物溶液、25mg的RGO-EY光催化剂和80μL空穴捕获剂三乙醇胺于反应瓶中，搅拌均匀，并通入氮气(60mL/min)，在黑暗状态下吸附2h，使芳香族硝基化合物在光催化剂表面达到吸附平衡；

（2）在氮气保护下，对上述体系进行可见光光照（λ>420nm），每隔一定时间后取适量液体，进行紫外-可见吸收光谱分析和液相色谱分析；

光催化还原去除污染物Cr(VI)具体步骤如下：

（1）取60mL10ppm的Cr(VI)溶液、25mg的RGO-EY光催化剂和80μL空穴捕获剂三乙醇胺于反应瓶中，搅拌均匀，并通入氮气(60mL/min)，在黑暗状态下吸附2h，使Cr(VI)化合物在光催化剂表面达到吸附平衡；

（2）在氮气保护下，对上述体系进行可见光光照（λ>420nm），每隔一定时间后取适量液体，进行紫外-可见吸收光谱分析。