二氧化钛/石墨烯复合材料的制备及其光催化性能的研究

【摘要】近年来，对于光催化领域的关注和研究逐步增加，尤其在是利用光催化作用降解有机废水中的染料这一课题受到了越来越多的关注，因而如何更好的提高光催化效率变的十分重要。TiO2作为一个环保的廉价的材料，近来被广泛的作为光催化剂，在降解饮用水中的有机污染物和室内空气净化等领域具有重要的应用价值。然而，二氧化钛的光催化活性受其禁带宽度的限制（金红石相的禁带宽度为3.0eV，而锐钛矿相的禁带宽度为3.2eV），只能被波长小于380nm以下的紫外光所激发。另一方面，当TiO2光催化剂受到太阳光辐射时，被阳光所激发生成的电子-空穴对没有迅速迁移到表面，反而在内部迅速复合，成为了另一个限制其光催化活性的因素。因此，合成具有较窄的能带宽度同时还能够抑制光生电子-空穴的复合的TiO2光催化剂是一个具有挑战性的难题。现在，已经有了许多手段来实现这一想法例如在二氧化钛中掺入贵金属粒子，金属氧化物，碳基纳米材料等，通过合成一系列二氧化钛复合材料来得到人们所期望的光催化剂。自从石墨烯在2004年被发现以来，这种新型的单原子层二维结构碳纳米材料由于其优异的性质而被广泛应用。石墨烯具有优异的导电性，是一个良好的电子受体；同时具有超大的比表面积，良好的吸附能力；其独特的二维结构和优异的力学性能使其具有成为优秀载体的潜力。基于以上几点，将石墨烯的引入到光催化领域，恰好可以弥补二氧化钛的不足。现在已经有了一系列关于二氧化钛/石墨烯复合材料以提高其光催化效率的报道。但是目前对于这种复合材料的制备仍然可以有很大的改进的空间。首先，现今的二氧化钛/石墨烯复合材料的合成方法比较复杂和繁琐，副产物较多。其次，反应所使用的钛源的价格高昂，同时还存在着易水解，难保存等缺点。另一方面，二氧化钛/石墨烯复合材料的光催化效率虽然得到了一定程度上的提高，但是还远远没有达到让人满意的程度，仍然有更大的提升空间。基于上述背景和研究思路，本论文选择对合成二氧化钛/石墨烯复合材料的制备方法进行研究，并对如何进一步提高这种复合材料的光催化性能进行研究，工作的主要内容和研究结果如下：1.通过简单绿色的水热法合成二氧化钛纳米粒子/石墨烯复合材料。本文通过一步水热法成功的制备出了光催化性能优异的二氧化钛纳米粒子/石墨烯复合材料，这种方法的优势在于其操作简单，环境友好。在制备过程中，没有引入多余的有毒有害具有腐蚀性的物质，几乎不会产生对环境有害的副产物，绿色友好。同时，大大的减少了实验所需的时间和步骤，对未来的工业化生产具有一定的意义。2.通过调控反应物浓度，反应时间，反应温度这三个实验变量，来探究不同的实验参数的变化对二氧化钛纳米粒子/石墨烯复合材料的光催化效率的影响，优化实验参数。最终发现，随着氧化石墨在二氧化钛纳米粒子/石墨烯复合材料中所占的比例的增加，其光催化活性也随之增强。并且当氧化石墨所占的比例最高为44%，反应温度为120℃，反应时间为6h，所制备的光催化剂具有最高的光催化活性，较P25提高了70%以上。3.通过简易的水热法合成二氧化钛纳米线/石墨烯复合材料并对其光催化性能进行研究。本文采用了水热法合成了二氧化钛纳米线/石墨烯复合材料。这种材料形成了具有多孔的三维的结构，使其光催化活性优于二氧化钛纳米粒子/石墨烯复合材料。随着氧化石墨在二氧化钛纳米线/石墨烯复合材料中所占的比例不断增加，其光催化活性也不断的提高。
【作者】金春吉；
【导师】田宏伟；
【作者基本信息】吉林大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】石墨烯；二氧化钛；纳米粒子；纳米线；光催化降解；水热法；

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