一种高效纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高效纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂及其制备方法，将纤维素炭化后于Ni溶液中浸渍，干燥后于高温下进行石墨化反应，再进一步采用Hummers法将产物氧化，并在超声作用下分散于水溶液中，依次加入H3BO3和(NH4)2TiF6，水解，然后在一定温度下煅烧，制得纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂。本发明专利技术以纤维素为原料，经过催化石墨化‑氧化‑沉积‑还原制得了纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂。该光催化剂具有极高的光催化活性，在紫外光的照射下可在8分钟内将10mg/L的甲基橙溶液降解完全，可在30分钟内将浓度为0.2mmol/L的Cr(VI)还原为Cr

【技术实现步骤摘要】
一种高效纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂及其制备方法
本专利技术属于炭质材料应用
，主要涉及一种高效纤维素基类石墨烯/TiO2光催化剂的制备方法。
技术介绍
TiO2是一种常用的半导体光催化剂，因其催化活性较强且化学性质稳定，已越来越多地用于各种环境污染物的降解处理。TiO2的光催化原理是在受到波长小于或等于387nm的紫外线激发时可产生反应活性很高的自由电子和相应的空穴。然而这些光生电子和空穴有很大的几率会以极快的速度重新复合，对光催化反应效率带来了不利影响。为此，本专利技术将纤维素基类石墨烯与TiO2进行了复合，利用类石墨烯的导电性，加速了光生电子的传导，提高了电子与空穴的分离效率，从而极大地提高了光催化反应活性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高效纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂，其具有催化活性高、条件温和、无污染且体系简单的优点。本专利技术的技术方案为：一种高效纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂，纤维素经炭化-高温石墨化过程后得到石墨化纤维素，进一步采用Hummers氧化法处理得到亲水性的氧化产物(GO)，将GO超声分散在水溶液中，加入H3BO3和(NH4)2TiF6水解反应后得到浅棕色GO/TiO2复合物，将GO/TiO2复合物煅烧后，使GO发生热还原反应转变为类石墨烯，同时使TiO2结晶度增强，得到纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂；所述复合光催化剂在紫外光照射下能够在8分钟内将浓度为10mg/L的甲基橙溶液完全降解脱色，在30分钟内将浓度为0.2mmol/L的Cr(VI)还原为低毒性的Cr3+，还原率达到54％。所述的纤维素包括微晶纤维素、纳米结晶纤维素、纤维素纳米纤维中的任意一种或几种。高温石墨化处理的温度范围为1200～1600℃。水解反应温度范围为60～80℃，反应时间为2～4h。煅烧温度为200～400℃，煅烧时间为1～3h。制备所述的纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂的方法，纤维素经炭化-高温石墨化过程后得到石墨化纤维素，进一步采用Hummers氧化法处理得到亲水性的氧化产物(GO)，将GO超声分散在水溶液中，加入H3BO3和(NH4)2TiF6水解反应后得到浅棕色GO/TiO2复合物，将GO/TiO2复合物煅烧后，使GO发生热还原反应转变为类石墨烯，同时使TiO2结晶度增强，得到纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂。有益效果：1.采用Ni催化法可于1200～1600℃的相对较低的温度下制得石墨化纤维素，大大低于传统石墨化所需的2800℃。2.所制备的复合光催化剂具有极高的催化活性，可在8分钟内将浓度为10mg/L的甲基橙溶液完全降解脱色，反应速率是市售纳米TiO2(P25)的7.3倍；在30分钟内将浓度为0.2mmol/L的Cr(VI)还原为低毒性的Cr3+，还原率可达到54％，反应活性均明显高于商用光催化剂P25，是P25的1.6倍。附图说明图1为所制复合光催化剂与P25光催化降解甲基橙的速率对比。图2为所制复合光催化剂与P25光催化还原Cr(VI)的速率对比。图3为复合光催化剂的SEM图片。具体实施方式一种高效纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂的制备方法，具体步骤如下：(1)将原料诸如微晶纤维素(CNC)、纳米结晶纤维素、纤维素纳米纤维(CNF)等置于密闭坩埚内下炭化处理1h。将炭化后的产物浸渍于Ni2+溶液中过夜，干燥后置于高温炉中进行石墨化反应。反应完毕后用浓盐酸反复洗涤以除去金属，干燥待用。石墨化反应温度为1200～1600℃，反应时间为2～5h；(2)采用Hummers氧化法对上述石墨化纤维素进行氧化处理得到GO。将一定量的GO超声分散于水溶液中，加入H3BO3和(NH4)2TiF6进行水解反应，制得浅棕色GO/TiO2复合物。煅烧后使GO还原为类石墨烯结构，制得浅灰色类石墨烯/TiO2复合光催化剂。分散在溶液中的GO浓度为60～180mg/L；加入H3BO3和(NH4)2TiF6浓度分别为0.3和0.1mol/L；水解反应温度为60～80℃，水解时间为2～4h；煅烧温度为200～400℃，煅烧时间为1～3h。本专利技术以各种纤维素为原料，经过炭化-催化石墨化处理后得到石墨化纤维素，进一步采用Hummers氧化法得到亲水性较强的GO，超声分散于水溶液中，加入H3BO3和(NH4)2TiF6进行水解反应，所得产物进一步煅烧后得到纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂。该催化剂具有极高的反应活性，在紫外光的照射下可在8分钟内将10mg/L的甲基橙溶液降解完全，反应速率常数为0.583min-1，是P25的7.3倍；亦可在30分钟内将浓度为0.2mmol/L的Cr(VI)还原为Cr3+，还原率达54％，反应速率常数为0.0246min-1，是P25的1.6倍。实施例1：将微晶纤维素置于密闭坩埚内，炭化处理1h后将产物浸渍于Ni2+溶液中过夜，干燥后置于高温炉中，于1400℃进行石墨化反应3h，冷却后用浓盐酸(37％)反复浸渍洗涤以除去金属催化剂。进一步采用Hummers氧化法得到亲水性较强的GO。将GO超声分散于水溶液中，使GO浓度为80mg/L，同时加入浓度分别为0.3和0.1mol/L的H3BO3和(NH4)2TiF6，于70℃下进行水解反应2h，抽滤并用大量蒸馏水反复洗涤，得到浅棕色GO/TiO2复合物。将该复合物于200℃煅烧1h后得到浅灰色类石墨烯/TiO2复合光催化剂。在紫外光照射下，该催化剂降解浓度为10mg/L的甲基橙溶液反应速率常数为0.583min-1，还原浓度为0.2mmol/L的Cr(VI)反应速率常数为0.0246min-1。实施例2：将微晶纤维素置于密闭坩埚内，炭化处理1h后将产物浸渍于Ni2+溶液中过夜，干燥后置于高温炉中，于1200℃进行石墨化反应3h，冷却后用浓盐酸(37％)反复浸渍洗涤以除去金属催化剂。进一步采用Hummers氧化法得到亲水性较强的GO。将GO超声分散于水溶液中，使GO浓度为80mg/L，同时加入浓度分别为0.3和0.1mol/L的H3BO3和(NH4)2TiF6，于70℃下进行水解反应2h，抽滤并用大量蒸馏水反复洗涤，得到浅棕色GO/TiO2复合物。将该复合物于200℃煅烧1h后得到浅灰色类石墨烯/TiO2复合光催化剂。在紫外光照射下，该催化剂降解浓度为10mg/L的甲基橙溶液反应速率常数为0.457min-1，还原浓度为0.2mmol/L的Cr(VI)反应速率常数为0.0163min-1。实施例3：将微晶纤维素置于密闭坩埚内，炭化处理1h后将产物浸渍于Ni2+溶液中过夜，干燥后置于高温炉中，于1600℃进行石墨化反应3h，冷却后用浓盐酸(37％)反复浸渍洗涤以除去金属催化剂。进一步采用Hummers氧化法得到亲水性较强的GO。将GO超声分散于水溶液中，使GO浓度为80mg/L，同时加入浓度分别为0.3和0.1mol/L的H3BO3和(NH4)2TiF6，于70℃下进行水解反应2h，抽滤并用大量蒸馏水反复洗涤，得到浅棕色GO/TiO2复合物。将该复合物于200℃煅烧1h后得到浅灰色类石墨烯/TiO2复合光催化剂。在紫外光照射下，该催化剂降解浓度为10mg/L的甲基橙溶液反应速率常本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂，其特征在于，纤维素经炭化‑高温石墨化过程后得到石墨化纤维素，进一步采用Hummers氧化法处理得到亲水性的氧化产物（GO），将GO超声分散在水溶液中，加入H3BO3和(NH4)2TiF6水解反应后得到浅棕色GO/TiO2复合物，将GO/TiO2复合物煅烧后，使GO发生热还原反应转变为类石墨烯，同时使TiO2结晶度增强，得到纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂；所述复合光催化剂在紫外光照射下能够在8分钟内将浓度为10 mg/L的甲基橙溶液完全降解脱色，在30分钟内将浓度为0.2 mmol/L 的Cr(VI) 还原为低毒性的Cr3+，还原率达到54%。

【技术特征摘要】
1.一种高效纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂，其特征在于，纤维素经炭化-高温石墨化过程后得到石墨化纤维素，进一步采用Hummers氧化法处理得到亲水性的氧化产物（GO），将GO超声分散在水溶液中，加入H3BO3和(NH4)2TiF6水解反应后得到浅棕色GO/TiO2复合物，将GO/TiO2复合物煅烧后，使GO发生热还原反应转变为类石墨烯，同时使TiO2结晶度增强，得到纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂；所述复合光催化剂在紫外光照射下能够在8分钟内将浓度为10mg/L的甲基橙溶液完全降解脱色，在30分钟内将浓度为0.2mmol/L的Cr(VI)还原为低毒性的Cr3+，还原率达到54%。2.如权利要求1所述的高效纤维素基类石墨烯/TiO2复合光催化剂，其特征在于，所述的纤维素包括微晶纤维素、纳米结晶纤维素、纤维素纳米纤维中的任意一种或几种。3.如权利要求1所述的高效纤维素基类...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，蒋剑春，孙康，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院林产化学工业研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32