[发明专利]一种多级孔结构的石墨烯复合光催化气凝胶及其制备方法

说明书

本发明提出了一种多级孔结构的石墨烯复合光催化气凝胶及其制备方法，所述石墨烯复合光催化气凝胶具有层状结构和三维立体结构，并且具有大孔、中孔和微孔的多级孔结构。将石墨烯气凝胶的吸附作用与二氧化钛光催化作用相结合，利用纳米TiO₂的光催化作用快速降解吸附在石墨烯气凝胶内部孔隙和表面上的污染物，使石墨烯气凝胶原位再生，从而延长石墨烯气凝胶的吸附饱和时间，大幅提升去污效果。可根据实际应用需求，较为便捷地通过改变加入的活性炭纤维的种类和添加量对复合石墨烯气凝胶内部的多级孔结构加以调控，从而提高其对不同污染物适用的广谱性。并且整套合成工艺简单，化学还原原位自组装过程中无需搅拌，反应条件温和。

技术领域

本发明为气凝胶的制备领域，尤其涉及一种石墨烯复合光催化气凝胶及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种通过碳原子sp²杂化形成的六边形蜂窝状结构二维原子晶体，其特殊的二维结构，致使其在导电性，导热性等诸多方面具有非常优异的性能。但是，石墨烯二维材料往往会因受π－π相互作用而团聚、堆积，导致比表面积缩小，电阻增大，性能大幅降低，从而在一定程度上限制了石墨烯在应用方面的拓展。石墨烯气凝胶(grapheneaerogel，GA)是以二维的石墨烯作为构筑单元，通过纳米片之间的卷曲和堆叠，形成的具有独特三维结构的纳米材料，不但可以很好的解决二维材料在应用上的困难，而且具有超低密度、高比表面积和孔隙率、高电导率等，在吸附、催化剂载体、能量储存、传感器等领域具有很好的应用前景。石墨烯气凝胶的物化性质与其内部孔径大小密切相关，现有石墨烯气凝胶内部孔径大多为毫米级的大孔，对大部分污染物尤其是分子直径较小的污染物的吸附作用力不强，容易扩散，从而降低了其吸附能力，并且孔径分布范围较窄，因而无法满足实际应用中污染物形态多样、组分复杂的使用要求。另一方面，单纯依靠石墨烯气凝胶的吸附作用去除污染物，对污染物只是实现了转移，并没有实现彻底的降解，易脱附产生二次污染；而且石墨烯气凝胶吸附容量有限，吸附饱和后会影响其连续使用，需更换或脱附再生后才能恢复吸附性能。

此外，在合成气凝胶的工艺中，目前较常用的方法是水热法。但是，水热法合成石墨烯气凝胶工艺相对比较复杂，并且对反应条件的要求相对较为苛刻，如高温高压的环境等。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多级孔结构的石墨烯复合光催化气凝胶及其制备方法，以解决背景技术中现有的石墨烯气凝胶存在的孔结构单一、吸附能力不足、易产生二次污染、合成工艺复杂、条件苛刻等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案提供一种多级孔结构的石墨烯复合光催化气凝胶，所述石墨烯复合光催化气凝胶具有层状结构和三维立体结构，并且具有大孔、中孔和微孔的多级孔结构；所述石墨烯复合光催化气凝胶包括石墨烯气凝胶、纳米二氧化钛和活性炭纤维，其中，所述纳米二氧化钛和活性炭纤维均匀分散在大孔结构的石墨烯气凝胶内部。

优选的，所述大孔的孔径大于50nm，所述中孔的孔径为大于等于2nm且小于等于50nm，所述微孔的孔径小于2nm。

此外，本发明还提出一种多级孔结构的石墨烯复合光催化气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯加入到去离子水中，经超声分散1～4h直至混合均匀，制得质量浓度为0.5～20mg/mL的氧化石墨烯分散液。

(2)按活性炭纤维与所述氧化石墨烯的质量比为(0.01～1)：1的比例，将所述活性炭纤维加入到所述氧化石墨烯分散液中，并经所述超声分散或机械搅拌直至混合均匀，制得所述氧化石墨烯和所述活性炭纤维的混合溶液。

(3)按纳米二氧化钛与所述氧化石墨烯的质量比为(1～10)：1的比例，将所述纳米二氧化钛加入到所述氧化石墨烯和所述活性炭纤维的混合溶液中，并经所述超声分散或所述机械搅拌直至混合均匀，制得所述氧化石墨烯、所述纳米二氧化钛和所述活性炭纤维的混合溶液。