[發(fā)明專利]一種石墨烯/鎢酸鉍片層納米結(jié)構(gòu)可見光催化材料的制備方法及其硅改性方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310749504.9
• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103657639A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳傳盛;謝小締;劉天貴;曹時義;肖依
• 申請（專利權(quán)）人: 長沙理工大學(xué)
• 主分類號: B01J23/31
• 分類號: B01J23/31;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 長沙正奇專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 43113
• 代理人: 馬強

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光催化材料領(lǐng)域，涉及一種石墨烯/鎢酸鉍片層納米結(jié)構(gòu)可見光催化材料的制備方法及其硅改性方法。

背景技術(shù)

鎢酸鉍(Bi₂WO₆)是由八面體的WO₆和Bi₂O₂層積累而成的一種典型n?型半導(dǎo)體，擁有極好的化學(xué)性能、獨特的鐵電性能、催化性能和非線性電介質(zhì)磁化系數(shù)等性質(zhì)，是一種很好的可見光催化劑材料。自從1999年Kudo和Hijii首次報道鎢酸鉍具有光催化分解水的活性以來，已引起了世界各國科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。Bi₂WO₆的價帶是由Bi6s和O2p雜化軌道組成，而導(dǎo)帶由W5d軌道組成，使得禁帶寬度較窄(約為2.69?eV)，對460?nm以下的波長有較好的光吸收性能。另外，Bi6s和O2p?軌道雜化使得價帶更為分散，有利于光生空穴在價帶上的移動，阻礙其與光生電子的復(fù)合，提高對有機污染物的光催化氧化反應(yīng)。研究表明，無論是在水中還是空氣中，Bi₂WO_6?可催化礦化有機染料，如苯酚、乙醛、苯、氨等污染物，在水處理和環(huán)境保護等領(lǐng)域中具有很大的商業(yè)價值和應(yīng)用前景。然而，由于鎢酸鉍材料的光量子產(chǎn)率低，產(chǎn)生的光生電子-空穴對易復(fù)合，顯示出較低的光催化效率。此外，鎢和鉍是稀有金屬，價格較貴，從而限制著鎢酸鉍在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

????針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種在太陽光下具有強吸附、高催化活性的石墨烯/鎢酸鉍片層納米結(jié)構(gòu)可見光催化材料的制備方法及其硅改性方法。本發(fā)明以石墨烯為載體，利用鎢酸鉍和硅改性鎢酸鉍片層結(jié)構(gòu)修飾石墨烯，從而構(gòu)成一種在太陽光下具有強吸附、高光催化活性的新型納米衍生材料。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是：通過有機電解質(zhì)修飾石墨烯，利用有機電解質(zhì)的特殊性質(zhì)獲得鎢酸鉍納米片層，以及增強石墨烯與鎢酸鉍片層之間的結(jié)合。在此基礎(chǔ)上，利用硅改性鎢酸鉍片層來進一步提高光催化性能和降低成本，促進其應(yīng)用。石墨烯是由單層或幾層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)碳質(zhì)材料，具有巨大的比表面積(理論計算值2630?m²·g^-1)；在已測試材料中，石墨烯的強度是最高，達130?Gpa，是鋼的100多倍；其載流子遷移率達15000?cm²·V^??1·s^??1，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的兩倍，超過商用硅片遷移率的10倍以上，是納米催化劑的理想載體。特別是石墨烯中含有大量未成對的可自由移動電子，擁有比較大的電子存儲能量，能捕獲和傳導(dǎo)光激發(fā)電子，妨礙或阻止半導(dǎo)體催化劑中光激發(fā)電子和空穴對的復(fù)合，提高光催化性能。此外，石墨烯比表面積大，能有效地阻止納米催化劑團聚和增大其表面積，提高材料的吸附能力。因此，用石墨烯增強鎢酸鉍，有望獲得強吸附、高效可見光催化材料，在污水處理、環(huán)境保護和太陽能電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

為實現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種石墨烯/鎢酸鉍片層納米結(jié)構(gòu)可見光催化材料的制備方法，具體步驟為：

（1）將1?mL~15?mL濃度為0.1g/L~1.2?g/L的石墨烯溶液加入到40mL~100mL去離子水中超聲分散20?min?~40?min，得石墨烯分散液；

（2）所述石墨烯分散液在0℃-40℃下超聲分散15?min?~30?min，得到分散均勻的溶液；

（3）在所述分散均勻的溶液中加入0.1g?~?4?g鎢酸鹽、由0.5g~3g聚丙烯酸和0.1g?~1?g十六烷基三甲基溴化銨組成的有機電解質(zhì)，攪拌溶解后，在35℃~50℃的溫度下繼續(xù)超聲攪拌15?min?~60?min，然后在-20℃~0?℃的溫度下冷凍1h~24?h，再加入0.485g~1.94?g鉍鹽，超聲攪拌20?min?~30?min，得分散均勻的膠狀液體；?

（4）將所述膠狀液體在20℃~40℃下陳化0.5?h?~5?h，然后轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中反應(yīng)6?h?~18?h，反應(yīng)溫度為90℃~180℃，得反應(yīng)物；

（5）將所述反應(yīng)物自然冷卻至室溫，過濾并用蒸餾水和無水乙醇洗滌5~6次，得洗滌物；將洗滌物在60℃~80℃下烘烤12小時~24小時，然后研磨后得產(chǎn)物。

步驟（1）所述石墨烯優(yōu)選為氧化石墨烯和還原氧化石墨烯。

步驟（3）所述鎢酸鹽優(yōu)選為鎢酸鈉或鎢酸銨，所述鉍鹽為硝酸鉍。