[发明专利]一种硅烷化还原氧化石墨烯二氧化钛复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及水污染处理领域，提供了一种硅烷化还原氧化石墨烯二氧化钛复合材料及其制备方法和应用。本发明通过将钛酸四丁酯原位还原后与氧化石墨烯复合，然后再与N‑(三甲氧基甲硅烷基丙基)乙二胺三乙酸钠反应，制备得到了以氧化石墨烯为基底，键合二氧化钛和N‑(三甲氧基甲硅烷基丙基)乙二胺三乙酸钠的复合材料。本发明由上述方法制备得到的硅烷化还原氧化石墨烯二氧化钛复合材料对污染物的吸附性能较好，而且光催化性能较好。实施例结果表明，本发明提供的硅烷化还原氧化石墨烯二氧化钛复合材料能够有效降低污染物Cd²⁺的含量，且对苯酚的降解效果较好。

技术领域

本发明涉及水污染处理领域，尤其涉及一种硅烷化还原氧化石墨烯二氧化钛复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

水污染物可大致分为三类，分别是重金属离子(Cr³⁺，Ni²⁺和Cu²⁺)、有毒金属离子(Cd²⁺，As²⁺和Hg²⁺)以及有机染料废料。其中有毒金属离子镉(Cd²⁺)和苯酚染料被认为是工业上最常见的有毒废物，这些废物很难降解，易于在水环境中累积。

TiO₂具有无毒、成本低廉、环境安全、化学稳定性高和光催化活性高的特点，在处理水污染物领域具有广泛的应用。然而，TiO₂的宽能带隙(～3.2eV)，限制了太阳光谱在紫外(UV)区域的光吸收(5％)，并且光生的电荷载流子快速重组，因此其光催化效率受到极大限制。

通过采用其他金属或非金属掺杂TiO₂来减少TiO₂的能带隙，从而扩展了可见光区域的光吸收，克服了TiO₂应用的局限性。例如可以通过与氧化石墨烯(GO)结合，减少带隙和减少光生电子-空穴对重组以提高可见光下光催化活性。然而，TiO₂与氧化石墨烯形成的复合材料显著地改变了氧化石墨烯的光学和电学特性，降低了透射率、电阻率和电子迁移率，进而影响了TiO₂-氧化石墨烯复合材料的电荷穿梭和光催化性能。

为了提高TiO₂-氧化石墨烯复合材料的电荷穿梭和光催化性能，人们尝试将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯。但是还原后，氧化石墨烯中的大多数含氧基团，如羟基、羧基和环氧基将被去除，降低了复合材料对污染物的吸附性能和复合材料在水中的溶解性能，这也会限制其在处理水污染物中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种硅烷化还原氧化石墨烯二氧化钛复合材料及其制备方法和应用，由本发明提供的方法得到的硅烷化还原氧化石墨烯二氧化钛复合材料对污染物同时具有较好的吸附性能和光催化性能。

本发明提供了一种硅烷化还原氧化石墨烯二氧化钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛酸四丁酯溶液和氧化石墨烯水分散液混合后搅拌，然后去除溶剂，得到氧化石墨烯/二氧化钛复合材料；

(2)将氧化石墨烯/二氧化钛复合材料分散在极性有机溶剂中，得到氧化石墨烯/二氧化钛分散液；

(3)将氧化石墨烯/二氧化钛分散液和N-(三甲氧基甲硅烷基丙基)乙二胺三乙酸钠混合，进行加热反应，然后向反应液中加入甲醇，再进行水热反应，得到硅烷化还原氧化石墨烯二氧化钛复合材料。

优选的，所述步骤(1)中氧化石墨烯水分散液中氧化石墨烯由石墨烯经改良的Hummers法制备得到。

优选的，所述步骤(1)中钛酸四丁酯溶液的溶剂包括乙醇、甲醇、乙醚和乙二醇中的一种或多种；所述钛酸四丁酯溶液中钛酸四丁酯和氧化石墨烯水分散液中氧化石墨烯的用量比为1.6～5.8mL:50～100mg。

优选的，所述步骤(1)搅拌的温度为45～60℃，搅拌的时间为1～2h。