[發明專利]具柱撐結構的蒙脫石-二氧化鈦-石墨烯復合光催化劑及制備方法

在審

• 申請號: 202011413565.4
• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN112439403A
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 牛繼南;謝季言;王多笑;張生輝;歐雪梅;馮培忠;強穎懷
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: B01J21/18
• 分類號: B01J21/18;B01J21/16;B01J21/06;B01J37/03;C02F1/30
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 李悅聲

本發明公開了一種具柱撐結構的蒙脫石?二氧化鈦?石墨烯復合光催化劑及制備方法，屬催化劑領域。首先配置稀硝酸溶液；將異丙醇、鈦酸酯和稀硝酸溶液按照比例混合，攪拌至透明；加入蒙脫石超聲分散液，繼續添加稀硝酸至總體積達到要求并攪拌；將溶液升溫加熱攪拌后，加入石墨烯溶液，繼續加熱攪拌；將反應產物離心、水洗、干燥后得到具柱撐結構蒙脫石?二氧化鈦?石墨烯復合光催化劑。其工藝簡單，易實現規模化生產；制備的復合催化劑具有納米二氧化鈦支撐蒙脫石單片層和石墨烯單片層的柱撐結構，二氧化鈦負載均勻，反應物進出交換容易，充分利用了高價石墨烯，光催化效果好，可用于污染物去除、水裂解制氫、二氧化碳制燃料、抗菌殺毒眾多領域。

技術領域

本發明涉及一種蒙脫石復合光催化劑及制備方法，尤其涉及一種具柱撐結構的蒙脫石-二氧化鈦-石墨烯復合光催化劑及制備方法，屬于蒙脫石功能化技術領域。

技術背景

由于化學穩定性高、無毒、表面積大和成本低等優點，納米二氧化鈦已被廣泛用于分解有機污染物、水裂解制氫、抗菌殺毒、二氧化碳還原、太陽能光電轉換、自清潔和氣體傳感等領域。納米二氧化鈦作為光催化劑處理污水時，存在兩個突出問題：一是顆粒團聚導致表面活性位點減少；二是難以分離和回收。

解決以上問題的一種有效方法是將二氧化鈦納米粒子均勻負載在載體上，以同時改善分散性和回收率。常見的載體有活性炭、碳纖維、玻璃纖維、導電玻璃和分子篩等，然而這些載體為人工合成、成本較高，限制了其在光催化領域中的實際應用。

蒙脫石為2：1片層結構，是地球上分布最廣、儲量最大的粘土礦物之一，具有比表面積大、陽離子交換能力強、在水中易溶脹剝離等特點，因此被廣泛用作吸附劑和催化劑載體。蒙脫石對納米二氧化鈦具有良好的負載性，制備的復合材料已被用來光催化降解甲基橙、羅丹明B和苯酚等污染物，并表現出較好的去除效果。但盡管如此，由于二氧化鈦帶隙較寬、光生載流子復合率高，蒙脫石-二氧化鈦復合物光催化效率仍受到極大限制。

石墨烯具有高的導電、導熱和載流子遷移率，被廣泛應用在電池電極、半導體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。在光催化應用中，石墨烯與催化劑的復合可顯著改善催化劑中光生載流子分離效率、擴大光吸收范圍，進而提升催化劑的光催化活性。

不同表面性質的納米顆粒可通過靜電力、氫鍵、共價鍵等組裝成一定的空間結構。蒙脫石片層帶有永久性負電，石墨烯表面也含有氧、羥基等大量電負性缺陷，而常見二氧化鈦前驅（如鈦酸酯）的水解中間產物卻呈正電性，因此二氧化鈦在蒙脫石和石墨烯表面均易形成負載。此外，二氧化鈦表面的大量不飽和懸鍵會與水反應生成羥基，而二氧化鈦顆粒間會通過羥基間的氫鍵作用相互吸引。因此，表面負載了二氧化鈦顆粒的蒙脫石片層，和表面負載了二氧化鈦顆粒的石墨烯片層可通過表面二氧化鈦間的氫鍵作用進一步組裝。

因此可設想，利用蒙脫石的溶脹特性先將其剝離成單片層，再根據蒙脫石-二氧化鈦-石墨烯三者間的相互作用，可獲得二氧化鈦納米顆粒支撐蒙脫石單片層和石墨烯單片層的柱撐結構。該結構在改善二氧化鈦分散和回收性的同時，又可提高光生載流子分離效率，同時還保證了反應物種在催化劑中的進出交換。

在制備具柱撐結構的蒙脫石-二氧化鈦-石墨烯復合光催化劑時，最關鍵的是石墨烯添加時機和添加量。理想石墨烯添加時機應確保石墨烯添加前蒙脫石表面已形成二氧化鈦納米顆粒，同時溶液中仍有未反應鈦鹽，以便在石墨烯添加后也能在石墨烯上形成二氧化鈦，避免蒙脫石和石墨烯直接通過氫鍵吸附組裝；理想石墨烯的添加量應確保二氧化鈦中光生載流子的有效分離，又不（過量）遮擋二氧化鈦的光吸收，同時并有利于節省復合催化劑成本。