石墨烯TiO2二元复合光催化剂的制备及性能研究

本科生专题实验报告

题目石墨烯/TiO2二元复合光催化剂的制备及性能研究学生姓名王守鹏

指导教师刘辉

学院化学化工学院

专业班级化工1102

学号1505110504

2015年1月

目录

摘要： (3)

关键词 (5)

第1章文献综述 (6)

1.2 二氧化钛简介 (6)

1.2.1二氧化钛晶体结构 (7)

1.2.2 二氧化钛光催化原理 (7)

1.2.3 二氧化钛的应用 (9)

1.3石墨烯 (10)

1.3.1 石墨烯简介 (10)

1.3.2 石墨烯的性质 (10)

1.3.3 石墨烯的制备 (11)

1.4 二氧化钛光电催化性能的研究概述 (13)

第2章实验部分 (14)

2.1 实验试剂及设备 (14)

2.1.1 实验试剂 (14)

2.1.2 实验设备 (15)

2.2实验方案 (15)

2.2.1 氧化石墨烯的制备 (15)

2.2.2石墨烯/TiO2二元复合光催化剂的制备 (16)

2.2.3 光催化性能测试 (16)

2.3 结果与讨论 (18)

2.3.1 不同石墨烯含量的石墨烯/TiO2光催化性能 (18)

2.3.2 不同水热温度下制备的石墨烯/TiO2光催化性能 (18)

总结 (19)

参考文献 (20)

石墨烯/TiO2二元复合光催化剂的制备及性能研究

(王守鹏化工1102班指导老师：刘辉)

摘要：

重金属的水污染已经引起了全球环境的关注要点。从水溶液中去除重金属离子的处理技术有离子交换、反渗透、膜分离、化学沉淀和吸附。随着材料科学的发展，光催化材料在治理污染中具有越来越重要的作用。

近年来，光催化技术发展迅速，光催化剂利用太阳能可以将有机或无机污染物降解为无害物，而且反应条件温和、设备简单。TiO2是一种常用的光催化剂，具有催化活性高、化学和光稳定性好、安全无毒和廉价易得等优点，因而广泛用于有机污染物降解、消毒灭菌和自清洁等领域。但是，作为一种n型半导体，TiO2能带隙较宽，使其只能被太阳光中少部分的紫外光所激发，因而大大限制了TiO2光催化技术的实际应用。为了将TiO2光响应范围扩展至可见光区，人们对其进行

了各种改性和修饰，如贵金属沉积、半导体复合、离子掺杂、光敏化以及表面还原处理等，开发具有可见光响应的光催化剂，这在理论上和实际应用上都具有非常重要的实际意义。

氧化石墨烯(Graphene Oxide ，GO)是石墨烯的一种衍生物，是由氧化石墨发生剥离而形成的单层或多层氧化石墨，具有典型的准二维空间结构，其片层上含有很多含氧基团，具有较高的比表面能、良好的亲水性和机械性能，在水和大多数极性有机溶剂中具有很好的分散稳定性。GO 的价格比碳纳米管低得多，且其表面的极性官能团易与一些极性有机分子和聚合物形成强的相互作用或化学键，有利于与其他材料复合并在光学、催化、电荷存储以及电极材料等领域得到广泛应用，因而GO 合成与应用成为炭材料研究中的热点领域之一。

采用新型碳材料诸如碳纳米管、C60 等与TiO2 复合形成复合材料，由于两者的协同作用，增强了材料对有机物、污染物的光催化性能。Gao 等人采用传统的溶胶-凝胶法和表面活性剂包裹的溶胶-凝胶法分别合成了两种碳纳米管CNT-2T iO 复合材料，对亚甲基蓝的紫外光催化降解表明，这两种材料的光催化能力均优于纯2T iO ，尤以后者性能更佳。Oh 等人制备的CNT-2T iO 以及C60-2T iO 复合材料同样表现出优异的光催化性能，其中，CNT-2T iO 中由于2T iO 颗粒分布得更为均匀，对亚甲基蓝的降解作用更为出色。Gao 等人总结了新型碳材料-2T iO 具备更优越光催化能力的几个原因：（1）复合材料更大的比表面积提高了材料对有机污染物的吸附能力；（2）碳材料-2T iO 界面异质结的形成改善了光生电子与空穴间的复合；（3）相比于纯2T iO ，复合材料的费米能级可能向更正的方向偏移，进而提高了对更长波长光子的利用率；（4）碳材料表面吸收光子后，将电子注入到2T iO 导带，形成用以降解有机污染物的反应激子(超氧自由基-2O 和羟基自由基⋅OH )。

本文采用改进Hummer 方法制备氧化石墨烯，并用水热法制备了分散均匀的GO TiO 2-复合材料。利用亚甲基蓝在紫外线下的分解测试在不同水热温度和不同石墨烯含量制备的GO TiO 2-复合材料最佳分解位置。

关键词

；石墨烯；光催化；亚甲基蓝TiO

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第1章文献综述

1.1二氧化钛光催化材料的研究背景

随着社会经济的高速发展，环境污染和能源短缺已经成为了21世纪人类生存和发展所面临和亟待解决的重大科学问题。近年来，光催化技术由于能在室温下反应并且可直接利用太阳能来驱动反应等独特的特性，而成为世界上公认的最理想的环境污染治理技术和清洁能源生产技术。自从1972年Fujishima等【lJ 发现了二氧化钛单晶电极可以光催化分解水以来，其作为一种新型的半导体光催化材料的研究开始受到人们广泛关注。半导体氧化物催化剂以其过程具有反应条件温和、反应速度快、无选择性、无二次污染、污染物降解彻底并且可以直接利用太阳光等优点而成为一种理想的环境污染治理技术。

目前，半导体光催化技术对太阳能利用率偏低难，其中一个最主要的原因就是半导体光催化剂的禁带宽度较大(如锐钛矿Ti02的最=3．2eV)，仅吸收太

阳光中的紫外光部分，而紫外光部分在太阳光总能量中还不足5％。另外就是半导体受光激发产生的光生电子和空穴的复合率很高，使光生电子和空穴的有效利用率减少，进而导致半导体光催化剂的活性偏低。所以如何充分利用可见光和有效阻止光生电子与空穴的复合，是设计与开发新型高效半导体光催化剂，提高太阳能利用率，最终实现产业化应用的关键。

1.2 二氧化钛简介

T iO，是一种白色固体粉末。由于二氧化钛的白度和光亮二氧化钛，化学式为

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度不错，具有最佳的不透明性，最初在化妆品和油漆领域中有一定的应用。目前，制备方法主要有：溶胶-凝胶法、微乳液法、水解法、水热合成法、化学沉淀法等，二氧化钛的物理基本参数见下表。

表1.1 二氧化钛的物理参数

物理参数数值

分子量79.87

摩尔质量79.8658g.mol-1

折射率 2.76-2.55

摩尔硬度6-7

电容率114-31