一种复合型高效可见光光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于催化剂技术领域，具体涉及一种复合型高效可见光光催化剂及其制备方法和应用。制备方法包括以下步骤：1)以改良Hummers法制备氧化石墨烯水溶液；2)以甲基橙溶液为模板剂，高锰酸钾为氧化剂制备纳米二氧化锰改性聚吡咯管；3)将纳米二氧化锰改性聚吡咯管与氧化石墨烯溶液混合分散均匀，在高压水热釜中反应，制得二氧化锰‑聚吡咯石墨烯气凝胶光催化剂。通过本发明专利技术所提供的复合型高效可见光光催化剂的制备方法可以简单、高效、低成本的制备得到活性良好，稳定性高的可见光光催化剂，易于工业化，解决了传统光催化剂成本高，重复性差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种复合型高效可见光光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于催化剂
，具体涉及一种复合型高效可见光光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
现在中国的环境问题日益严峻，现有的对有机废水的处理方法存在对废水要求高，成本大等一系列问题。光催化降解法处理废水具有选择性广，使用方便，成本低廉等优点，是未来处理废水废气最优前景的方法。传统的光催化剂如TiO2、ZrO2、ZnS、CdSZnO、或BiVO4等主要的光线吸收区为紫外光区，但太阳光中的紫外光在达到地面时已被大气层吸收反射掉大部分，实际地表太阳光线中的紫外光含量不到5％，导致传统的光催化剂光能利用率低。传统的改良手段包括贵金属负载掺杂改性，半导体材料复合等。但这些改良成本太高，要求条件苛刻，无法大规模制备生产。聚吡咯作为一种具有半导体特性有机高分子，因为易于制备，稳定性好，对环境友好性而备受研究者的青睐。其禁带宽度适中，对可见光响应良好，是一种极具潜力的光催化剂。但由于纯聚吡咯禁带宽度大，电导率小，分散性差，导致其催化效率低，难以单独应用于光催化领域。二氧化锰是一种比表面积大，电化学性质稳定，成本低廉的电化学材料，其与聚吡咯掺杂，一方面能够提高聚吡咯的分散性，提高材料的吸附性；同时能够降低聚吡咯的禁带宽度，进一步扩宽其对光源的利用率。石墨烯气凝胶是一种具有三维多孔结构，大比表面积，良好的电导率的三维材料。其不仅具有石墨烯吸附性能好的优点，同时三维多孔结构使得其作为载体时能良好的分散活性组分。其较高的电导率能够遏制催化剂在进行光激发反应时产生的空穴-电子对的再复合，提高催化剂的催化效率。通过石墨烯气凝胶与聚吡咯和二氧化锰的复合，得到了具有高效降解速率的可见光光催化剂。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种高效可见光光催化剂及其制备方法和应用，可以解决传统光催化剂的响应范围小，成本高的问题。本专利技术所提供的技术方案如下：一种高效复合型可见光降解性催化剂，包括：三维石墨烯气凝胶以及负载在石墨烯气凝胶上的纳米二氧化锰改性聚吡咯管，其中，所述聚吡咯的结构通式如下：其中：A-离子为氧化剂阴离子，主要为OH-离子，因为使用金属盐类作为氧化剂(如KMnO4)制备PPy的过程中，其阴离子同时也可以作为掺杂剂，并通过电荷转移形成复合物。此时PPy的链结构即为一般的氧化掺杂结构。上述的复合型高效可见光光催化剂，光催化剂的活性组分为纳米二氧化锰改性聚吡咯管。上述的复合型高效可见光光催化剂，光催化剂的载体为三维结构石墨烯气凝胶。在本专利技术所提供的高效非金属可见光光催化剂中，二氧化锰改性聚吡咯管是以甲基橙为模板剂，以高锰酸钾为氧化剂，一步生成纳米级别的二氧化锰-聚吡咯管。制备好的纳米二氧化锰改性聚吡咯管在氧化石墨烯溶液中分散，再经过高压水热反应，形成均匀分布的二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶催化剂。在光照下，二氧化锰改性聚吡咯管受光激发，通过光电效应产生光生电子和空穴对，在石墨烯对电导率改良下，光生电子和空穴对的复合率降低，光生电子可以更快的转移至催化剂表面，进一步反应生成羟基自由基和其他强氧化基团，对污染物进行催化降解。基于上述技术方案，可以实现简单便捷、低成本的制备该高效可见光光催化剂。本专利技术还提供了一种高效可见光光催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)以改良Hummers法制备氧化石墨烯水溶液；2)以甲基橙溶液为模板剂，高锰酸钾为氧化剂制备纳米二氧化锰改性聚吡咯管；3)将纳米二氧化锰改性聚吡咯管与氧化石墨烯溶液混合分散均匀，在高压水热釜中反应，制得二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶光催化剂。上述的一种复合型高效可见光光催化剂的制备方法，所述步骤1)中，反应温度控制在35±5℃之间，在高锰酸钾加完后，室温继续搅拌氧化48-80h。上述的一种复合型高效可见光光催化剂的制备方法，所述步骤1)中，氧化石墨烯水溶液的浓度为2-10mg/ml。上述的一种复合型高效可见光光催化剂的制备方法，所述步骤3)中，纳米二氧化锰改性聚吡咯管的质量与氧化石墨烯水溶液的质量按照质量比PPy：GO＝2:1的比例进行混合超声使之分散均匀，形成稳定的胶液。上述的一种复合型高效可见光光催化剂的制备方法，所述步骤3)中，使用自发式水热釜在120℃环境下反应5h，所得水凝胶在纯水中透析后，冷冻干燥，即可制备得出复合型二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶光催化剂。上述的一种复合型高效可见光光催化剂的制备方法，所述步骤2)中，高锰酸钾滴加完毕后，滴加完毕后在搅拌条件下持续反应18-24h。上述的一种复合型高效可见光光催化剂的制备方法，所述步骤2)中，吡咯和甲基橙溶液先进行混合搅拌，再加入高锰酸钾溶液，其中高锰酸钾溶液需缓慢滴入，滴加速度为1.5-3s/滴。上述的一种复合型高效可见光光催化剂的制备方法，所述步骤3)中，氧化石墨烯溶液与纳米二氧化锰改性聚吡咯管的湿态超声分散混合，使活性组分均匀负载于石墨烯气凝胶上。通过本专利技术提供的高效可见光光催化剂的制备方法可以简单、高效、低成本的制备得到稳定的高效可见光光催化剂。本专利技术还提供了根据本专利技术所提供的高效可见光光催化剂的制备方法制备得到的高效可见光光催化剂。本专利技术还提供了本专利技术所提供的高效可见光光催化剂在光催化反应中的应用。本专利技术的有益效果是：本专利技术所提供的高效可见光光催化剂使用回收方便，在可见光下具有高效催化降解多种污染物的能力；本专利技术所提供的高效可见光光催化剂性质稳定，重复性好，可多次重复利用；本专利技术以甲基橙为模板剂，以高锰酸钾为氧化剂，一步生成纳米级别的二氧化锰-聚吡咯管，制备方法简单，成本低；本专利技术降解速率快，在30分钟内，即可基本降解完全。附图说明图1为实施例4的制备过程中得到的复合型二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶光催化剂与空白石墨烯气凝胶的SEM对比图。图1中，a、b图均为复合型二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶光催化剂，c、d图为空白石墨烯气凝胶。图2为实施例4得到的复合型二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶对亚甲基蓝的降解重复性实验性能图。图3为实施例4得到的复合型二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶对比传统的管状聚吡咯和空白石墨烯气凝胶的降解25mg/L亚甲基蓝的催化动力学数据图。图4为实施例4、实施例5和实施例6得到的复合型二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶的不同降解时间的亚甲基蓝剩余浓度图。具体实施方式以下对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。实施例1一种高效复合型可见光降解性催化剂，包括：三维石墨烯气凝胶以及负载在石墨烯气凝胶上的纳米二氧化锰改性聚吡咯管，其中，所述聚吡咯的结构通式如下：其中：A-离子为氧化剂阴离子，主要为OH-离子，因为使用金属盐类作为氧化剂(如KMnO4)制备PPy的过程中，其阴离子同时也可以作为掺杂剂，并通过电荷转移形成复合物。此时PPy的链结构即为一般的氧化掺杂结构。1)以改良Hummers法制备氧化石墨烯水溶液；2)以甲基橙溶液为模板剂，高锰酸钾为氧化剂制备纳米二氧化锰改性聚吡咯管；3)将纳米二氧化锰改性聚吡咯管与氧化石墨烯溶液混合分散均匀，在高压水热釜中反应，制得二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶光催化剂。优选的，步骤1)中，反应温度控制在35±5℃之间，在高锰酸钾加完后，室温继续搅拌氧化72h。优选的，步骤1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合型高效可见光光催化剂，其特征在于，包括：三维石墨烯气凝胶以及负载在石墨烯气凝胶上的纳米二氧化锰改性聚吡咯管，所述改性管状聚吡咯的结构通式如下：

【技术特征摘要】
1.一种复合型高效可见光光催化剂，其特征在于，包括：三维石墨烯气凝胶以及负载在石墨烯气凝胶上的纳米二氧化锰改性聚吡咯管，所述改性管状聚吡咯的结构通式如下：其中：A-离子为氧化剂阴离子。2.根据权利要求1所述的复合型高效可见光光催化剂，其特征在于：所述光催化剂的活性组分为纳米二氧化锰改性聚吡咯管。3.根据权利要求1所述的复合型高效可见光光催化剂，其特征在于：所述光催化剂的载体为三维结构石墨烯气凝胶。4.一种复合型高效可见光光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以改良Hummers法制备氧化石墨烯水溶液；2)以甲基橙溶液为模板剂，高锰酸钾为氧化剂制备纳米二氧化锰改性聚吡咯管；3)将纳米二氧化锰改性聚吡咯管与氧化石墨烯溶液混合分散均匀，在高压水热釜中反应，制得二氧化锰-聚吡咯石墨烯气凝胶光催化剂，即复合型可见光光催化剂。5.根据权利要求4所述的一种复合型高效可见光光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，反应温度控制在35...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪昕林，施樰，郝思颖，曾子彦，余越，刘国亮，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42