全部商品分类
去购物车结算
首页 > 每日必看 > 石墨烯/ 纳米TiO2 复合材料的制备及光催化还原性能

石墨烯/ 纳米TiO2 复合材料的制备及光催化还原性能

时间:2016-04-05 12:05:47

以鲮片石墨为原料,采用改进的 Hummers 法制备石墨烯氧化物(GO),通过超声/紫外光还原工艺制备得到还原石墨烯氧化物(RGO);以钛酸丁脂和 RGO 为前驱物,采用溶胶凝胶-氮气保护下高温加热法制备出石墨烯/纳米 TiO2 (RGO/nanoTiO2 )复合光催化材料;利用 FT-IR、XRD、BET、UV-Vis 等技术对RGO/nanoTiO2 复合材料进行了结构性能表征。 以 2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)为探针物, 研究了 RGO/nanoTiO2在缺氧水体中的光催化特性与 2,4-D 降解机制。结果表明:采用低温氧化的Hummers 法,GO 六碳环上生成的活性基团较少,采用超声/紫外光还原,并耦合高温热还原技术,使环状结构得到良好的修复;所制备的 RGO/nanoTiO 2 具有降解 2,4-D 良好性能,在缺氧状态下,使 2,4-D 主要发生光催化还原反应,脱除苯环上的氯,产生氯酚、苯三酚等中间产物,部分被氧化降解生成 CO2 和 H2O。

  自 1972 年 Fujishima 和 Honda 发现TiO2 单晶电极光分解水以来,半导体光电催化技术引起了人们的极大关注。具有不连续能带结构的 TiO2 ,在紫外光激发下,处于价带上的电子 (e - ) 被激发跃迁到导带,从而分别在价带和导带上形成高活性的光

  生空穴(h+ )和光生电子(e - ) 。但是光生电子复合时间在 ns~μs 的范围内 , 导致量子化效率低。对 TiO2 表面结构进行改性,延长光生电子的寿命是提高 TiO2 光催化活性的重要手段。石墨烯是由苯六元环构成的二维原子晶体,每个碳原子均为 sp2 杂化,并贡献剩余一个 p 轨道上的电子形成大 π 键, π 电子可以自由移动,赋予石墨烯良好的导电性 ,充分利用石墨烯的电子传输性能,可以有效延长 TiO2 的光生电子与空穴复合时间,提高量子效率 。石墨烯的制备方法主要有:剥离法、超声分散法、外延生长法、化学气相沉积、 溶剂热法、 氧化还原法等 。

  目前多采用 Hummers 方法制备 GO。 石墨在某种条件下能与强氧化剂反应,被氧化后得到基本分子结构为 C 六边形,且表面及边缘存在较多的羟基、羧基、环氧等基团的 GO, 再通过化学液相、 光照、 溶剂热、微波、高温热处理等还原方法对 GO 进行还原 ,还原表面的含氧功能团,修复被破坏的共轭 π 键,生成的 RGO 性质也愈来愈趋近于石墨烯。在紫外光还原 GO 的研究中,一般是将GO 加入到 TiO 2 乙醇溶液中, 经过水热反应 ,或 UV 光激发 ,以混合方式在紫外光激发下制备石墨烯/TiO 2 复合材料 。鲜少有超声/紫外光,并耦合高温热还原技术把GO 还原成 RGO 的文献报道。GO/TiO 2 凝胶, 在 NH 3 /Ar 气氛中, 于 500~800℃煅烧,制 备 了 RGO 和 氮( N ) 多 重 掺 杂 的RGO/N-TiO 2 ,并在可见光区具有较高的光催化活性 。

  本文以鳞片石墨为原料, 通过低温氧化的 Hummers 法制备 GO,采用超声/紫外光还原工艺制备得到 RGO;以钛酸丁脂和

  RGO 为前驱物,采用溶胶凝胶-氮气保护下高温加热法制备出 RGO/nanoTiO 2 复合光催化材料;研究湖泊、水库等因除草剂 2,4-D的流入所造成的微污染缺氧水体光催化降解修复效果, 并为其提供一种良好的光催化材料,探索缺氧状态下 2,4-D 降解动力学及机理,以及 RGO/nanoTiO 2 在缺氧水体中的光催化氧化还原特性。

  结 论

  ( 1) 采用绿 色环保 的方 法制备出RGO/nanoTiO 2 复合光催化材料。实验表明,中低温氧化的 Hummers 法制备的 GO 更有

  利于石墨插层氧化, 提高层间距和降低反应条件;通过超声/紫外光还原技术,使碳环上的含氧基团还原, 碳的六元环状结构得到良好修复,制备出 RGO;采用溶胶凝胶法耦合氮气保护下 450℃高温加热工艺,制备得到 RGO/nanoTiO 2 复合光催化材料,TiO 2粒子晶化为粒径 20~40nm的锐钛矿型结构,RGO 的环状结构得到进一步的修复。

  (2)制备的 RGO/nanoTiO 2 复合光催化纳米材料具有良好的光催化性能,当 RGO的掺杂量为 1.5%时,即 1.5%RGO/nanoTiO 2具有最佳的光催化活性,反应 10h,缺氧水体中的 2,4-D 的降解率达到 96.5%;当水体中 DO 的浓度小于 0.33mg/L 时,水体中 O 2浓度维持不变,电子直接攻击 2,4-D 分子,发生光催化还原脱氯反应, 不再与水体中的O 2 分子结合生成 H 2 O 2 、OH 自由基等,产生氯酚、苯三酚等中间产物,部分被氧化降解生成 CO 2 和 H 2 O。


每日必看