[發(fā)明專利]一種二氧化鈦納米管/石墨烯復合材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2012-05-14
• 公開（公告）號: CN102698728A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設計）人: 李長生;平廣興;唐華;范有志;錢周
• 申請（專利權）人: 無錫潤鵬復合新材料有限公司
• 主分類號: B01J21/18
• 分類號: B01J21/18;B82Y30/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 梁曉霏

技術領域

本發(fā)明涉及光催化劑領域，具體涉及一種二氧化鈦納米管/石墨烯復合材料粉體及其制備方法。

背景技術

光電轉化技術以其室溫反應和可直接利用太陽能作為光源來驅動反應等獨特性能，而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術和潔凈能源生產技術。一方面，人們希望應用光電轉化技術開發(fā)出高效，無污染的清潔能源，合理有效地利用太陽能，這不僅可以解決目前能源的短缺問題，更重要的是可以減輕目前大量使用礦物燃料給環(huán)境帶來的污染；而另一方面，人們又希望光電轉化方法也能在有害廢物的處理中，扮演有用的角色。因此，光電轉換的研究對于解決能源、污染問題具有重大的現實意義。其中，人們研究較多的是關于半導體納米材料的光電性質，它所表現出的光電性質使它無論是在光電轉換方面，還是在廢物的降解處理中都有很好的實際應用前景。

在眾多的半導體納米材料中，TiO₂納米顆粒因其具有獨特的光電化學性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、生物惰性、無毒無害及制備簡便等，在光電化學等領域引起廣泛的關注。但是，由于TiO₂納米顆粒本身禁帶寬，產生的電子-空穴對不僅極易復合而且壽命較短，光響應范圍較窄，使其光電化學活性受到了一定的限制。因此，如何改善TiO₂納米顆粒的光電化學性能，已成為TiO₂在光電化學領域的一個重要的研究方向和研究熱點。2001年美國賓夕法尼亞大學Grimes教授領導的科研小組于2001年率先研究制備的TiO2納米管陣列以其優(yōu)異的物理化學特性給我們指出了新的思路。Grimes所制備的納米陣列管高度頂部開口，定向生長，比表面積大、孔徑均勻一致，在一定長度下可牢固的附著在Ti基礎上，是一種具有理想穩(wěn)定三維結構的納米材料。

與TiO₂納米顆粒相比，具有線性電子傳輸能力的TiO₂納米管在光生電荷的傳輸中具備更優(yōu)越的性能。在光電作用下，光生電子能快速進入TiO₂納米管導電基體，從而大大降低了光生電子空穴復合的可能性，表現出較好的光電化學性能。因此，TiO₂納米管材料在光催化降解大氣和水中的污染物、染料敏化太陽能電池、光解水制氫等光電化學領域方面有著廣闊的應用前景，已引起人們的極大關注和興趣。但是二氧化鈦作為寬禁帶半導體，只能利用太陽光中的紫外光，而紫外光占太陽光的比例不足6%，造成TiO₂納米管/線陣列對太陽光利用率較低的問題。

CN102151561A提供一種納米碳管負載二氧化鈦的光催化劑的制備方法。該光催化劑是在納米碳管的外表面附著有納米二氧化鈦。該方法制備得到的光催化劑催化效率高。

另一方面，作為2004年才被發(fā)現的新型碳材料，石墨烯（Graphene）是由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子組成的二維晶體。雖然石墨烯是二維結構，但實際上并不是平坦的，而是波狀的，在一個兩層體系中，這種起伏不是很明顯，在多層體系中會完全消失。石墨烯中每一個碳原子與周圍的三個碳原子之間以特殊的單鍵相連，剩余的一個電子可以自由移動，因此石墨烯是可以導電的。從某種程度上理解，可以認為，整個石墨烯片層形成一個大π鍵。因此，石墨烯具備較高的比表面積和特異的電子傳導能力，具有比碳納米管更為優(yōu)異的電學性質、良好的導電性、透光性和化學穩(wěn)定性以及可加工性，并且避免了碳納米管研究和應用中難以逾越的手性控制、金屬型和半導體型分離以及催化劑雜質等難題，這使得其可以成為比碳納米管更好的電子或空穴傳遞的多功能修飾材料。比如：Paek等合成了石墨烯-SnO₂復合材料，發(fā)現石墨烯能夠起到電子傳遞通道的作用。將石墨烯與二氧化鈦復合，可以利用石墨烯的導電性能增加電子-空穴的分離效率，提高復合材料的光催化活性。

CN101704511A公布了一種具有可見光催化活性的二氧化鈦納米管(或二氧化鈦納米線)陣列異質結的制備方法，包括如下步驟：一、電解液的配制；二、將二氧化鈦納米管/線陣列與石墨正對平行的浸入電解液中沉積得到二氧化鈦納米管/線陣列異質結；三、將步驟二得到的二氧化鈦納米管/線陣列異質結吹干后放入馬弗爐中煅燒2h～5h，再隨爐冷卻至室溫，即得具有可見光催化活性的二氧化鈦納米管/線陣列異質結，解決了二氧化鈦納米管/線陣列對太陽光利用率較低的問題。但該方法所采用的陽極氧化法對pH要求嚴格，高pH值的電解液能制備較長的納米管陣列，但表面會覆蓋許多沉淀物，低pH值的電解液得到的納米管陣列雖然表面干凈，但納米陣列短。