[發明專利]一種新型石墨烯三維骨架多孔光催化膜的制備方法

有效

• 申請號: 201611008649.3
• 申請日: 2016-11-16
• 公開（公告）號: CN108043402B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 王文泰;種奔;鄭素蓮;李春虎;馮麗娟;王亮
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: B01J23/72
• 分類號: B01J23/72;B01D71/02;B01D67/00
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 李宏偉

本發明揭示了一種新型石墨烯三維骨架多孔光催化膜的制備方法，該制備方法是將不同類型的具有光催化能力的半導體納米材料(p型、n型)嵌入氧化石墨烯中，經膨松化和還原處理后得到石墨烯三維骨架多孔光催化膜。具體實施步驟為：步驟一：制備光催化膜所需的半導體光催化材料，如：Cu₂O、Cu₂O?CuO和TiO₂納米線等；步驟二：納米線/氧化石墨烯三維骨架多孔膜材料的組裝，采用真空抽濾的方法將納米線組裝到氧化石墨烯膜內，然后采用快速冷凍真空干燥法或“膨松化”工藝對納米線/氧化石墨烯進行處理，構建三維骨架多孔結構；步驟三：納米線/氧化石墨烯三維骨架多孔膜的還原工藝，采用碘化氫作為還原劑，在保持納米線光催化劑化學結構的同時實現氧化石墨烯膜的還原。

技術領域

本發明涉及光催化膜領域，尤其涉及一種新型石墨烯三維骨架多孔光催化膜的制備方法。

背景技術

膜分離技術是一種極具潛力的污染物分離、凈化技術，但在應用中卻存在著污染物引起膜污染造成的膜通量下降、膜使用壽命縮短等問題，制約著膜材料更廣泛的應用。而光催化技術對有機污染物具有很強的處理能力，且具備廣譜性、除凈度高、反應條件溫和、無二次污染等特性，可用于處理膜材料上附著的污染物。將光催化技術與膜分離技術結合開發光催化膜，可實現膜材料的自凈，而光催化劑在膜材料內的固載，還可以解決反應后光催化劑的分離問題，是一種極具潛力的技術。

光催化膜可分為有機膜(TiO₂/PVDF復合膜、PES/TiO₂膜等)和無機膜(TiO₂/Al₂O₃復合膜、Si/TiO₂納米管復合膜和TiO₂石墨烯膜等)兩類，理論上有機膜在光催化反應過程中受到自由基的作用存在被降解的可能，從而造成光催化復合膜的結構和功能性解體；無機膜材料則沒有此類問題，卻存在價格昂貴、光催化活性低等限制。因此，需要開發新型的、具有更高催化活性和分離性能的膜材料。石墨烯光催化膜則不受有機膜易降解缺陷的限制，且石墨烯對光催化劑性能有促進作用，因此研究人員選擇石墨烯作為光催化膜的材料。

TiO₂作為最常用的光催化劑在紫外光范圍內具有很好的光催化活性，但光生電子-空穴對再復合率高、量子效率偏低，尤其是僅對紫外光響應，嚴重限制了對太陽光能量的充分利用，需要拓寬材料的光譜響應范圍。開發可見光響應的材料是研究的發展方向，如：納米Cu₂O是典型的p型窄帶隙半導體，廉價無毒、耐光腐蝕、具有良好的可見光催化活性；Cu₂O本身能分離電子和空穴，在反應中空穴積聚在高活性晶面上使Cu₂O轉邊為CuO，在光照下產生的電子又將CuO還原為Cu₂O，而產生的空穴與有機污染物反應，此外，CuO優良的導電性可促進光生電子從Cu₂O轉移，提高光催化性能，而納米線的高比表面積也對光催化性能和穩定性有顯著提高。

與單組分光催化劑相比，構建復合材料體系是開發高效可見光催化劑的有效方法，構建異質結就是其中一種典型方法。p-n結是異質結的一種，不僅能夠通過敏化作用拓展寬帶隙半導體的吸收波長范圍，還可促進載流子在兩種半導體中的轉移，使電子和空穴分別在n型和p型半導體上聚集，從而抑制電子-空穴對的復合。因此，申請人將p型半導體Cu₂O與n型半導體TiO₂復合形成p-n異質結以降低Cu₂O-TiO₂復合材料的禁帶寬度，拓寬吸收光譜的范圍提高太陽光的利用率。