[發明專利]可磁性分離回收的石墨烯復合二氧化鈦光催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201110372997.X
• 申請日: 2011-11-22
• 公開（公告）號: CN102489284A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 姜銀珠;胡梅娟;嚴密
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B01J21/18
• 分類號: B01J21/18;B01J37/10;C02F1/32
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及一種可磁性分離回收的石墨烯復合二氧化鈦光催化劑及其制備方法，屬于光催化制備和環保領域。

背景技術

在光催化領域中，具有良好光催化性能的二氧化鈦納米材料具有非常廣闊的應用前景。通常在光催化過程中，采用紫外光照射二氧化鈦光催化劑，由于二氧化鈦作為半導體，具有充滿的價帶和空的導帶，在受到外界輻射時，則可成為光誘導的氧化還原過程的敏化劑，產生光生電子和空穴，與附著于二氧化鈦光催化劑上的有機污染物發生反應，降解成無機小分子物質，從而達到光降解的目的。二氧化鈦有三種晶型：銳鈦礦、金紅石和板鈦礦，由于板鈦礦結構不穩定，是一種亞穩相，極少被應用。金紅石型的結構最為穩定，但是在制備過程中容易結塊，很難降低到納米級別，而銳鈦礦穩定性稍差，卻具有高比表面積的納米結構，具有良好的光催化活性。

但是，根據上述可知，二氧化鈦是一種寬禁帶半導體（金紅石3.0eV，銳鈦礦3.2eV），主要吸收的是紫外光，而太陽能量中紫外光只占4%，因此，二氧化鈦對太陽光的利用率很低，如果采用禁帶寬度窄的金紅石型二氧化鈦，則能在一定程度上提高對太陽光的利用率，同時性質最為穩定，也有利于光催化劑的保存與使用。但是，金紅石型二氧化鈦需要達到高比表面積的納米結構，盡可能多的提供光催化反應面積，才能有效提高光催化效率；同時，在光催化反應中，光生電子和空穴的復合速率遠遠大于和有機物反應的降解速率，因此，需要進一步降低復合率或者提高與有機物的反應速率，提高光催化效率。

石墨烯作為一種新興材料，具有優異的導電、導熱、機械穩定性，同時，平面二維單原子層結構則給石墨烯提供了巨大的比表面積，將具有良好特性的石墨烯與金紅石二氧化鈦相結合，以石墨烯片層為基體負載金紅石二氧化鈦納米顆粒，則能提供大的比表面積，為光催化反應提供場所，同時，優異的導電性能大大提高光生電子和空穴的傳輸速率，解決復合率高的問題，從而大大提高光催化效率。

但是，僅僅具有高光催化效率，在具體實施應用上仍有一些列的問題。在污水處理的光催化過程中，為了處理大量污水，通常需要大面積的具有反應活性的光催化劑表面，即微米級甚至納米級的光催化顆粒，這樣，不溶于水的光催化劑顆粒在催化反應結束后，需要額外的分離步驟從處理過的水中取出催化劑，而且，取出微米級、納米級的光催化顆粒極其困難，會使光催化步驟繁瑣，成本提高。針對這些問題，有些研究中將二氧化鈦固定在砂子、篩網等支撐材料上，或者固定在光催化反應器壁上，但是，這種方法則會大大減少催化劑的可利用表面積，而且傳質的限制會減緩光催化反應。納米磁性顆粒的粒徑微小，具有巨大的比表面積，如果將其與石墨烯基金紅石二氧化鈦復合，同時以石墨烯為基體，負載磁性納米顆粒和納米二氧化鈦顆粒，則能實現光催化劑分散和固定的統一，使制備的復合二氧化鈦光催化劑既具有巨大的比表面積，有優良的光催化活性，同時通過外加磁場很容易實現光催化劑的回收，簡化的回收過程和步驟，同時也降低了成本。

經過對現有技術的文獻檢索發現，中國發明專利申請號為CN200610096306.7，名稱為三元復合銳鈦礦型二氧化鈦光催化劑極其制備方法，該專利公開了以活性炭為載體，將磁性納米顆粒與銳鈦礦型二氧化鈦負載于活性炭上，制備可磁性分離的復合光催化劑。但是該專利所涉及的是銳鈦礦型二氧化鈦，其性質不如金紅石型穩定；另一方面該專利采用的三元復合光催化劑的基體是活性炭，其比表面積遠遠小于石墨烯的比表面積（活性炭：700m²/g，石墨烯：2300m²/g），而且沒有石墨烯良好的導電特性。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種可磁性分離回收的石墨烯復合二氧化鈦光催化劑及其制備方法。

可磁性分離回收的石墨烯復合二氧化鈦光催化劑是由納米磁性顆粒、石墨烯、二氧化鈦三部分復合組成，其中，納米磁性顆粒與石墨烯的質量比為1:100～1:5，納米磁性顆粒復合石墨烯與二氧化鈦的質量比為1:1～1:20。

可磁性分離回收的石墨烯復合二氧化鈦光催化劑的制備方法包括以下步驟：

1）將10～100mg氧化石墨烯分散于醇溶劑中，超聲處理0.5～2小時，加入0.2～1.0g三價鐵鹽，攪拌1～2小時，加入1～5g還原劑和1～5g表面活性劑，攪拌0.5～1小時，混合均勻，轉移至不銹鋼反應釜中，在100～200℃下反應10～24小時，用乙醇沖洗并離心分離，在50℃下真空干燥，得到磁性石墨烯粉末；