[发明专利]一种具有高催化降解活性的钨掺杂TiO2/石墨烯复合物的制法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在可见光下具有高催化降解活性的钨掺杂TiO₂/石墨烯复合物的制法，属于光催化剂制备的技术领域。

背景技术

在光催化技术中，TiO₂由于其多种性能如无毒性，水不溶性，低成本，有利的带边缘位置等成为被最广泛研究的半导体纳米材料之一，同时，其又表现出强的光催化活性，光化学稳定性和高的光转换效率。然而，因为锐钛矿TiO₂的带隙为3.2eV，所以其仅在紫外光区有响应，只能被波长低于387nm的光子激发。此外，光催化反应产生的电荷载体的快速重组也严重削弱了TiO₂自身的光催化活性。因此，为了克服这些限制采取了很多措施，例如金属/非金属掺杂、窄禁带半导体复合、碳材料复合(Journal of Materials Chemistry A,2015,3, 15214-15224)等，使其对光吸收拓展至可见光区域并延长光生电子空穴对的寿命。

近年来，已经使用各种类型的含碳纳米材料如活性炭，碳纳米管，富勒烯和石墨烯来改性TiO₂。石墨烯作为碳的同素异形体被认为是二维(2D)单原子层石墨，由于其独特的电子性能，高透明度，大的理论比表面积和优异的机械稳定性成为增强TiO₂光响应的理想材料。最近，大量研究表明，有较大比表面积的石墨烯可作为TiO₂纳米材料的支撑体来改善TiO₂的一些局限性。石墨烯的复合增加了催化剂对污染物的吸收、扩展了光吸收区域、提高了载流子分离和转移效率(Applied Catalysis，B:Environmental 2014，144，893-899)，这样可大大提高催化剂的光催化性能。

此外，为了进一步的增加催化剂在可见光下的光吸收，改善光电子-空穴对的快速复合，可选择过渡金属掺杂作为提高TiO₂光催化效率的有效方法。例如，有研究(ACS Nano,2013,7,9375-9383)报道了W掺杂可有效提高TiO₂纳米线内的载流子密度，也就是说，当W处于6p价态时可作为电子阱，使得催化剂具有储存电子的功能，从而增加催化剂在可见光下的催化活性。基于上述背景，本发明合成了一种在可见光下具有高催化降解活性的钨掺杂TiO₂/石墨烯复合物光催化剂。

发明内容

本发明的目的：结合半导体复合、形貌改性和与石墨烯复合三种改性方法对原始TiO₂进行深入改性，既可使其对光吸收拓展至可见光区域，增加可见光下催化效果；又可使TiO₂呈颗粒状均匀分散在石墨烯层上，减少团聚，增加光催化效果；同时，还可增加对污染物的吸收、提高载流子分离和转移效率，最终制备出在可见光下对有机污染物具有高催化降解活性的光催化剂。

本发明的技术方案：一种在可见光下具有高催化降解活性的钨掺杂TiO₂/石墨烯复合物的制法。按照以下步骤进行：

(1)钨掺杂TiO₂/石墨烯复合物的合成：室温条件下，将50～100mg的氧化石墨烯溶解于50mL无水乙醇中超声分散1h，搅拌下缓慢加入7mL钛酸四丁酯并继续搅拌10分钟得到均匀悬浮液；然后，向上述悬浮液中逐滴滴加10mL 钨酸钠二水合物水溶液(5g/L)，继续搅拌1h；将搅拌得到的均匀悬浮液转移至100mL含聚四氟乙烯内衬的高压水热反应釜中，160℃下保持10～15h，自然冷却至室温，得到的产品依次用去离子水、无水乙醇洗涤数次，离心分离得到的样品在80℃下干燥8h，于氮气氛围下以4℃/min升温速率升温至 450～600℃煅烧2～6h，最终得到钨掺杂TiO₂/石墨烯复合物；