石墨烯基Ti02复合纳米材料的制备以及光催化性能研究

摘要

光催化技术是解决环境危机的有效途径，而TiO2光催化剂因为其化学性质稳定，廉价易得，催化活性高，受到了研究人员的广泛关注。但是TiO2是宽禁带半导体(Eg=3.2eV)，对可见光的利用率不高，且光生电子-空穴容易复合，降低了光催化效率。目前寻找新型的光催化剂和拓展光催化剂的光响应区域成为一项非常有意义的研究，将是有效利用太阳能的关键所在。本课题主要利用新型碳材料石墨烯(graphene，GR)对TiO2进行改性，制备了一系列石墨烯基TiO2复合纳米材料，分别利用XRD、FTIR、Raman、XPS、SEM、TEM、HRTEM、EDS、UV-vis和PL等手段对材料进行了表征。以光催化降解亚甲基蓝和分解水制氢效率评价了这些材料的光催化活性。具体如下：　　1、采用改进的Hummer氧化法制备了氧化石墨(graphite oxide，GO)，通过水热法制备了商业TiO2(P25)和石墨烯(GR)的复合纳米材料，结果表明P25-GR复合材料的光催化活性相比P25有了明显的提高，其作为催化剂的亚甲基蓝降解率最高达到了99%，制氢效率最高达到了1.29mmol/g，且重复利用能力较好。　　2、以钛酸丁酯为前驱体，通过一步水热法制备了化学原位复合的TiO2-GR复合纳米材料，纯锐钛矿相的TiO2纳米颗粒原位生长在石墨烯表面。结果说明TiO2-GR复合纳米材料的光学性质相比P25和P25-GR有了明显提高。TiO2-GR作为催化剂时，亚甲基蓝在6h就几乎得到了完全降解，制氢效率最高达到了1.35mmol/g。　　3、以P25为前驱体，通过微波辅助法制备了Ag-P25-GR三元复合纳米材料，P25纳米颗粒及Ag纳米颗粒较为均匀的负载在石墨烯表面。由于Ag表面等离子体效应引起的可见光吸收增强和荧光强度降低，Ag-P25-GR复合纳米材料的光催化活性相比二元复合物有了明显提高，可见光下对亚甲基蓝的降解率达到了45%左右，制氢效率最高达到了2.12mmol/g，相比P25和P25-GR有了明显提高。　　4、以钛酸丁酯为前驱体，通过一步水热法制备出了化学原位复合的Ag-TiO2-GR复合纳米材料，Ag纳米颗粒及纯锐钛矿相的TiO2纳米颗粒同时原位生长在石墨烯表面，由于Ag表面等离子体效应和化学原位复合的双重作用Ag-TiO2-GR复合纳米材料的光学性质相比Ag-P25-GR又有了明显提升。Ag-TiO2-GR在降解亚甲基蓝和分解水实验中都表现出了比Ag-P25-GR更好的光催化活性，在可见光照射下，最高制氢效率达到了2.52mmol/g。　　5、以商业TiO2(P25)为前驱体，利用微波辅助法制备了三元Cu-P25-GR复合纳米材料，P25纳米颗粒及Cu纳米颗粒负载在石墨烯表面，相比Ag颗粒，Cu纳米颗粒因为容易被GO的氧化基团氧化而更易负载在P25颗粒表面附近。由于Cu表面等离子效应，Cu-P25-GR三元复合纳米材料在可见光区的吸收强度相比P25-GR有了明显提升，对亚甲基蓝两小时的降解率达到了55%左右，制氢效率最高达到了2.86mmol/g。相比Ag-P25-GR，Cu-P25-GR的光催化活性也有部分提高，是因为部分Cu纳米颗粒被氧化为CuO，而CuO本身也具有光催化活性。　　本论文大部分内容主要集中在石墨烯基TiO2光催化材料的制备和改性工作上，围绕增强和改善其光催化性能而展开。探讨了石墨烯提高TiO2催化性能的原因，研究了不同复合方法对石墨烯基TiO2纳米材料光催化性能的影响，首次将金属表面等离子体效应引入石墨烯基TiO2纳米材料，将二元催化体系拓展到三元催化体系，扩展了石墨烯基光催化材料的研究范围。

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