二氧化钛石墨烯复合材料的制备及其光催化性能的研究

二氧化钛/石墨烯复合材料的制备及其光催化性能的研究

随着现代社会工业化程度的稳步快速推进,工业污染问题逐渐的引起了各国政府和人民的广泛关注。为了高效、环保的解决这一突出矛盾,各种方法被各国专家利用来降解工业污染物,其中光催化技术由于其低能耗,高效率等优点被认为是最具产业化的可行方式。

在众多光催化材料中,二氧化钛因其具有众多的优点,例如:廉价、稳定的物化特性、没有二次污染等,被认为是最具发展潜力的半导体材料。但是,在实际的生产应用中,二氧化钛因其自身存在诸多缺陷,例如:二氧化钛较大的禁带宽度,使其只对紫外光有响应(约占太阳光3%-5%);较低的量子迁移率,导致光激发的电子-空穴对复合率高等,因此限制了二氧化钛在实践中的应用。

因此,制备出能够抑制光生电子-空穴对的复合且具有窄禁带的二氧化钛光催化剂是一个具有重要意义的难题。目前,根据这些缺陷,可以通过非金属元素掺杂、异质结构筑、表面修饰、贵金属修饰等方法对二氧化钛纳米材料进行改性来提高其光催化性能。

2004年新型材料石墨烯被发现,这种单原子层、二维蜂巢状结构碳纳米材料以其各项优异的特性成为材料界的新宠。石墨烯不仅具有优良的导电性,而且本身还拥有巨大的比表面积和优秀的吸附能力使其被认为是最具潜力的载体。

因此,将石墨烯作为载体引入到光催化领域并与二氧化钛复合是具有重要意义的。目前已有将石墨烯引入二氧化钛来提高其光催化效率的文献,但是其光催化效率还远远没有达到令人满意的程度,因此依然值得大家去研究。

本论文主要对二氧化钛/石墨烯复合材料的制备方法及其光催化性能进行研究本实验

主要以静电纺丝法和水热法制备二氧化钛/石墨烯纳米复合材料,主要解决材料比表面积小、材料对太阳光响应范围小和电子-空穴对复合率高等问题,并对获得样品的光催化性能进行了测试。本文的研究内容具体分为以下两部分:(1)通过结合静电纺丝技术和油/水相分离技术制备了管径均匀的二氧化钛纳米管。

再利用简单绿色的水热法制备出不同质量比的二氧化钛纳米管/石墨烯复合材料进行掺杂优化,并采用XRD、Raman、TEM、SEM、BET、XPS、UVVis等多种现代探测技术探究样品晶型、形貌、比表面积、组成元素状态、光响应范围、禁带宽度对光催化效率的影响,并对样品的催化机理进行了分析,结果表明所有样品都具有明显的管状结构。石墨烯的引入明显增大了二氧化钛/石墨烯复合材料的比表面积,有利于对污染物的接触及吸附作用。

二氧化钛与石墨烯之间形成化学键结合,因此有利于样品的稳定性并且降低了二氧化钛的禁带宽度,有利于对光的利用,提高光催化效率。常温下,以10%石墨烯掺杂二氧化钛纳米管的样品表现出最优的光催化效率。

(2)二氧化钛结合石墨烯可以克服其自身的诸多不足,增强对自然光的利用范围,显著地提高光催化效率。但是单独从这一方面研发提高二氧化钛光催化效率的效果毕竟有限,因此多相复合已经成为今后发展的趋势及热点。

贵金属银单质与二氧化钛接触会形成肖特基势垒,有利于降低光生电子-空穴对的复合率。银表面特有的等离子体效应,可以促进二氧化钛对光的捕获能力,增进复合材料对光的利用率。

因此我们将石墨烯,银单质引入二氧化钛纳米线,研究其光催化效率及光催化机理,为进

一步提高光催化效率提供实验样品和理论依据。