水净化复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种水净化复合材料，其包括基底以及依次层叠在基底上的第一二维材料层和第二二维材料层，其中，第一、第二二维材料层的材质不相同，可分别选自黑磷、石墨烯、氧化石墨烯、石墨炔、过渡金属硫族化物，过渡金属氧化物和过渡金属碳化物中的一种；第一二维材料和第二二维材料的带隙为0.3～4eV；第二二维材料的价带与导带均分别高于或均分别低于第一二维材料的价带与导带。该水净化复合材料的比表面积较大，能利用收从紫外波段到远红外波段的太阳辐射，产生较多的分离载流子，且载流子的迁移率较高，避免了载流子的复合，可以提高水净化效率。本发明专利技术还提供了该水净化复合材料的制备方法及应用。

Water purification composite material and its preparation method and Application

The invention provides a composite water purification material, which comprises a base and a first material layer are sequentially stacked on the substrate of two-dimensional and 2 dimensional material layer, wherein the first two dimensional material layer of the material is not the same, can be selected from black phosphorus, graphene, graphene oxide, Shi Moque, transition metal sulfur a family of compounds, transition metal oxides and transition metal carbides; bandgap materials and the first two-dimensional 2D material is 0.3 ~ 4eV; valence and conduction band 2 dimensional materials were higher than or were lower than those of the first two valence and conduction band material. The water purification composite has a large specific surface area, and can generate more separation carriers from the ultraviolet radiation to the far infrared band, and the carrier mobility is higher, which avoids the carrier recombination and improves the water purification efficiency. The invention also provides the preparation method and application of the water purification composite material.

【技术实现步骤摘要】
水净化复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及水净化
，具体涉及一种水净化复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着全球经济的飞速发展，水污染问题日益突出。人体的很多健康问题都是由于喝了不洁净的水引起，因此，水净化成为关系人类健康的亟待解决的问题。通常人们采用光触媒材料将太阳能转化为化学能而实现水净化。而传统的光触媒材料，如：TiO2、ZnO等带隙过宽，只能吸收太阳光的紫外光波段，对太阳能的利用率较低，杀菌效果较差。后来，人们采用有机染料敏化以及量子点敏化技术拓展光触媒的光谱响应范围，光催化效果有一定的提升，但有机染料和量子点具有潜在环境危害，且有一定毒性。另外，水净化过程中对污染物的降解通常只在净水材料的表面上进行，而传统的净水材料的比表面积较低，对污染物和有害细菌的吸附较低，因此，水净化速率较低。此外，传统的净水材料中，载流子在传输过程中容易发生复合，降低其光化学反应的量子效率。因此，有必要提供一种宽波段响应、高载流子迁移率、高比表面积的水净化材料。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种水净化复合材料，所述水净化复合材料包括基底以及依次层叠在基底上的两种二维材料，所述水净化复合材料对太阳光的利用率较高，水净化效率较高，降低了水净化的成本。第一方面，本专利技术提供了一种水净化复合材料，所述水净化复合材料包括基底以及依次层叠在所述基底上的第一二维材料层和第二二维材料层，其中，所述第一二维材料层和第二二维材料层的材质分别选自黑磷、氧化石墨烯、石墨炔、碳纳米管阵列、富勒烯阵列、过渡金属硫族化物，过渡金属氧化物和过渡金属碳化物中的一种，且所述第一二维材料层与第二二维材料层的材质不相同；所述第一二维材料和第二二维材料的带隙为0.3～4eV；所述第二二维材料的价带与导带均分别高于或均分别低于第一二维材料的价带与导带。本专利技术中，组成所述净水复合材料的两种二维材料在接触界面处形成平面异质结，它们的带隙可在较宽范围内(0.3～4eV)进行调控，可以吸收从紫外波段到远红外波段的太阳辐射，在光激发下在界面处生成电子空穴对，并进行有效的电荷分离，形成分离的载流子，分离的载流子分布在水净化复合材料的外表面及与水接触的表面，在正负两种载流子产生的电势作用下使水产生具有强氧化还原性的自由基和负离子，自由基和负离子可以降解有机污染物和杀灭有害细菌，从而最终达到了水净化的效果；组成所述净水复合材料的两种二维材料具有原子级的厚度，具有极高的载流子迁移率，可以高效地分离载流子，防止载流子的复合，提高对污染物的分解效率；所述水净化复合材料具有较高的比表面积，可以提供更多的反应活性位点吸附和降解污染物。本专利技术中，所述第二二维材料的价带与导带均高于或均低于第一二维材料的价带与导带，这样所述第一二维材料和第二二维材料之间可以形成雪崩式能级排布，有利于电子和空穴的分离，形成分离的载流子。具体来说，可以是，所述第二二维材料的价带高于第一二维材料的价带且所述第二二维材料的导带高于第一二维材料的导带，也可以是所述第二二维材料的价带低于第一二维材料的价带且所述第二二维材料的导带低于第一二维材料的导带。所述第一二维材料和第二二维材料中的带隙不相同。优选地，所述第一二维材料和第二二维材料中任意一个的带隙为1.5-4ev，另一个的带隙为0.3～2eV。进一步地，所述第一二维材料和第二二维材料中任意一个的带隙为2-4ev，另一个的带隙为0.3～1.8eV。进一步地，所述第一二维材料和第二二维材料中任意一个的带隙为1.7-4ev，另一个的带隙为0.3～1.6eV。带隙不同的两种二维材料，可以保证所述净水材料既可以利用紫外波段的太阳光，还能利用其他波段(如可见-远红外波段)的太阳光。优选地，所述第一二维材料间隔设置(或称为“非连续地”分布)在所述基底上，形成所述第一二维材料层；所述第二二维材料间隔设置在所述第一二维材料层上，形成所述第二二维材料层。这样可以提高所述水净化复合材料的整体有效表面积，与水、太阳光的接触面积较大。所述基底为柔性或刚性基底，优选为柔性基底，便于加工成各种形状。具体地，所述基底可以为玻璃碳基板、生长有铜膜的玻璃碳基板、碳纤维、钛合金等刚性基底；也可以为聚酯(PET)薄膜、聚酰亚胺(PI)薄膜或聚乙烯醇(PVA)薄膜等柔性基底。所述基底的形状不限，可以为平板状、棱锥(双棱锥)、棱柱、球状、椭球状、半球状、半椭球状等。本专利技术中，所述石墨烯、氧化石墨烯、石墨炔、黑磷、过渡金属硫族化物，过渡金属氧化物，过渡金属碳化物均为二维层状结构，它们可以是对应的材料进行剥离后得到。例如，黑磷二维材料可以是块体或粉体黑磷进行机械剥离或液相剥离得到。二维层状结构的材料具有较高的比表面积，可以提供更多的反应活性位点吸附和降解污染物。具体地，所述过渡金属硫族化物包括过渡金属硫化物和过渡金属硒化物，其中，所述过渡金属硫化物包括二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2、二硫化锆ZrS2、二硫化钛TiS2和二硫化钒VS2中的一种或多种。所述过渡金属硒化物包括二硒化钼MoSe2、二硒化钨WSe2、二硒化锆ZrSe2、二硒化钛TiSe2、二硒化钒VSe2中的一种或多种。所述过渡金属氧化物选自TiO2、ZnO、MnO2和MoO3中的一种或多种；所述过渡金属碳/氮化物的结构式为MaXb,其中，M代表早期d区过渡金属，X代表C和/或N元素，a、b均为正整数(分别优选1-5的正整数)。所述过渡金属碳/氮化物可以列举Ti3C2、Ti2C,Nb2C,V2C,Ti3CN,Ta4C3等。本专利技术中，所述第一二维材料、第二二维材料的厚度均为原子级厚度，其可以包括单原子或多层原子的厚度。进一步地，所述第一二维材料、第二二维材料的厚度(纵向尺寸)为0.3-15nm。例如可以是0.5nm、1nm、2nm、3nm、5nm、8nm、10nm、12nm或15nm。进一步地，所述黑磷的层数为1-10层，优选为1-5层。进一步地，所述氧化石墨烯的层数为1～5层，厚度为0.5～5nm。进一步地，所述过渡金属硫族化物的厚度在1～5nm。可以是单层、双层及多层可控的二维完整晶面结构的纳米材料。类似地，所述过渡金属氧化物的厚度在1～15nm，优选为1～10nm。所述过渡金属碳化物的厚度在1～10nm。，优选为1～5nm。优选地，所述第一二维材料层和第二二维材料层中任意一个的材质为1-5层的氧化石墨烯(厚度为0.5～5nm)，另一个为二硫化钼MoS2，二硒化钨WSe2二维材料，或层数为1-2层的黑磷。其中，此时，二维材料MoS2，WSe2的层数优选为1-3层。优选地，所述第一二维材料和第二二维材料中任意一个为二硒化钨WSe2，另一个为1-2层的黑磷、或者为二硫化钼MoS2二维材料。优选地，所述第一二维材料和第二二维材料中任意一个为1-2层的黑磷，另一个为二硫化钼二维材料。本专利技术中，所述第一二维材料层和第二二维材料层之间通过范德华力进行结合，也可以通过化学键进行键合。例如：当第一二维材料层通过旋涂或化学气相沉积的方式制备在基底上时，第二二维材料层通过旋涂的方式制备在第一二维材料层之上。此时，两种二维材料之间通过范德华力结合；第一二维材料层通过旋涂或化学气相沉积的方式制备到基底之上时，第二二维材料层通过化学气相沉积的方式制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水净化复合材料，其特征在于，所述水净化复合材料包括基底以及依次层叠在所述基底上的第一二维材料层和第二二维材料层，其中，所述第一二维材料层和第二二维材料层的材质分别选自黑磷、氧化石墨烯、石墨炔、过渡金属硫族化物，过渡金属氧化物和过渡金属碳化物中的一种，且所述第一二维材料层与第二二维材料层的材质不相同；所述第一二维材料和第二二维材料的带隙为0.3～4eV；所述第二二维材料的价带与导带均分别高于或均分别低于第一二维材料的价带与导带。

【技术特征摘要】
1.一种水净化复合材料，其特征在于，所述水净化复合材料包括基底以及依次层叠在所述基底上的第一二维材料层和第二二维材料层，其中，所述第一二维材料层和第二二维材料层的材质分别选自黑磷、氧化石墨烯、石墨炔、过渡金属硫族化物，过渡金属氧化物和过渡金属碳化物中的一种，且所述第一二维材料层与第二二维材料层的材质不相同；所述第一二维材料和第二二维材料的带隙为0.3～4eV；所述第二二维材料的价带与导带均分别高于或均分别低于第一二维材料的价带与导带。2.如权利要求1所述的水净化复合材料，其特征在于，所述第一二维材料和第二二维材料的带隙不相同；所述第一二维材料和第二二维材料中任意一个的带隙为1.5-4ev，另一个的带隙为0.3～2eV。3.如权利要求2所述的水净化复合材料，其特征在于，所述第一二维材料间隔设置在所述基底上，形成所述第一二维材料层；所述第二二维材料间隔设置在所述第一二维材料层上，形成所述第二二维材料层。4.如权利要求1所述的水净化复合材料，其特征在于，所述第一二维材料、第二二维材料的厚度均为原子级厚度。5.如权利要求1所述的水净化复合材料，其特征在于，所述过渡金属硫族化物包括二硫化钼、二硫化钨、二硫化锆、二硫化钛、二硫化钒、二硒化钼、二硒化钨、二硒化锆、二硒化钛和二硒化钒中的一种或多种；所述过渡金属氧化物选自TiO2、ZnO、MnO2、MoO3中的一种或多种；所述过渡金属碳化物的结构式为MaXb,其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晗，仇萌，张家宜，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44