层状过渡金属氧化物与还原氧化石墨烯纳米复合材料的制备及光催化性能研究

摘要

石墨烯是一种sp2杂化的二维碳材料，具有良好的导电性能和巨大的比表面积，其作为添加剂可以加速光催化反应中光生载流子的迁移，抑制光生电子和光生空穴的复合。当过渡金属的氧化物如TiO2,ZnO和ZrO2等与石墨烯进行复合后，展示出奇异的协同促进效应，这些半导体氧化物的光催化或电催化行为能得到有效调控和改善。层状过渡金属氧化物如层状H2Ti4O9、层状HTiNbO5、层状HTiTaO5和层状HNb3O8等都是典型的半导体化合物，其本身在光照条件下具有具有一定的催化活性。层状过渡金属氧化物与石墨烯的复合研究无疑是一项具有重要意义的工作。 在本研究工作中，分别以层状HTiNbO5、层状HNb3O8和层状HTiTaO5为主体，以石墨烯为客体，通过剥离-共絮凝方式制得3个系列的新颖纳米复合材料。制备过程中首先将层状过渡金属氧化物和石墨烯分别剥离，获得对应的溶胶状分散体系。两种分散体系在酸性条件下共絮凝后再在水热条件下用水合肼还原，得到层状过渡金属氧化物与还原氧化石墨烯的纳米复合材料。该复合材料由单层的层状过渡金属氧化物纳米片与超薄的还原氧化石墨烯纳米片交替堆叠而成。导致作为主体的层状过渡金属氧化物的层间距增大，从而可在一定程度上防止剥离的层状过渡金属氧化物纳米层片的团聚。采用粉末X射线衍射（XRD）技术、傅里叶变换红外（FT-IR）光谱、激光拉曼光谱、N2吸附-脱附技术、高分辨透射电镜（HR-TEM）和扫描电镜（SEM）等对纳米复合材料的结构和表面形貌进行研究。用漫反射紫外-可见（DR-UV-Vis）光谱研究复合材料的光吸收性质。以罗丹明B的光降解为模型反应表征纳米复合材料的光催化性能。与未经修饰的层状过渡金属氧化物相比，纳米复合材料是一类多孔材料，显示出较高的比表面积和较大的孔体积。材料既具有大孔和大的介孔又有小的介孔，呈现出多级孔结构。由剥离-共絮凝方式制得的复合材料作为催化剂时能使反应物种更方便地接触到层状过渡金属氧化物纳米层片的表面。光吸收性能和催化性能研究结果表明，层状过渡金属氧化物通过剥离-共絮凝方式与还原氧化石墨烯复合后，其对可见光的响应增强，其在罗丹明B光降解反应中的催化活性尤其是在可见光下的活性得到明显的改善。纳米复合材料的催化活性随石墨烯掺杂量的增加而增大。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 无机层状材料概述

1.2.1 无机层状材料的制备方法

1.2.2 无机层状材料的改性方法

1.2.3 层状过渡金属氧化物的应用及发展前景

1.3 石墨烯概述

1.3.1 石墨烯的结构

1.3.2 石墨烯的制备

1.3.3 石墨烯的复合

1.4 有机污染物的光催化降解概述

1.5 本论文的选题意义及主要目标和研究内容

第二章 实验药品与仪器

2.1 药品

2.2 粉末X射线衍射（XRD）实验

2.3 傅里叶变换红外(FT-IR)光谱测试

2.4 拉曼光谱测试

2.5 紫外可见漫反射(DR-UV-Vis)光谱测试

2.6 比表面积与孔结构分析

2.7 透射电镜(HR-TEM)分析

2.8 扫描电镜（SEM）分析

第三章 层状 HTiNbO5 与还原氧化石墨烯复合材料的制备、结构及光催化性能

3.1 实验部分

3.1.1 层状KTiNbO5的合成

3.1.2 层状KTiNbO5的酸化和剥离

3.1.3 氧化石墨烯的合成和剥离

3.1.4 HTiNbO5/石墨烯复合材料的合成

3.1.5 光催化活性测试

3.2 结果和讨论

3.2.1 X射线衍射分析

3.2.2 红外光谱分析

3.2.3 拉曼光谱分析

3.2.4 紫外-可见漫反射光谱分析

3.2.5 比表面积与孔结构分析

3.2.6 透射电镜分析

3.2.7 扫描电镜分析

3.2.8 紫外光下的光催化性能分析

3.2.9 可见光下的光催化性能分析

3.2.10 紫外和可见光下稳定性测试

3.3 结论

第四章 层状HNb3O8/还原氧化石墨烯复合材料的制备、结构及光催化性能

4.1 实验部分

4.1.1 层状HNb3O8的合成

4.1.2 层状HNb3O8的制备和剥离

4.1.3 氧化石墨烯的合成和剥离

4.1.4 层状HNb3O8/还原氧化石墨烯复合材料的制备

4.1.5 光催化活性测试

4.2 结果和讨论

4.2.1 X射线衍射分析

4.2.2 红外光谱分析

4.2.3 拉曼光谱分析

4.2.4 紫外-可见漫反射光谱分析

4.2.5 比表面积分析

4.2.6 透射电镜分析

4.2.7 扫描电镜分析

4.2.8 紫外光下光催化性能分析

4.2.6 可见光下光催化性能分析

4.3 结论

第五章 层状 HTiTaO5/还原氧化石墨烯复合材料的合成、表征及光催化性能

5.1 实验部分

5.1.1 层状KTiTaO5的合成

5.1.2 层状HTiTaO5的制备和剥离

5.1.3 氧化石墨烯的合成和剥离

5.1.4 HTiTaO5/还原氧化石墨烯复合材料的合成

5.1.5 光催化活性测试

5.2 结果和讨论

5.2.1 粉末X射线衍射分析

5.2.2 红外光谱分析

5.2.3 拉曼光谱分析

5.2.4 紫外-可见漫反射光谱分析

5.2.5 N2吸附-脱附等温线分析

5.2.6 透射电镜分析

5.2.7 扫描电镜分析

5.2.8 紫外光下光催化性能

5.2.9 可见光下光催化性能

5.3 结论

参考文献

个人简历

研究生期间发表以及完成学术论文和研究成果

致谢