一种石墨烯/二氧化钛复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯/二氧化钛复合材料及其制备方法和应用。石墨烯/二氧化钛复合材料包括：石墨烯、和与石墨烯片层紧密贴合的二氧化钛颗粒。本发明专利技术选用石墨烯与二氧化钛进行复合，得到一种同时具有石墨烯和氧化钛优异性能的高效光催化剂。 1

Graphene / titanium dioxide composite material and preparation method and application thereof

The invention relates to a graphene / titanium dioxide composite material and a preparation method and application thereof. Graphene / titania composites include graphene and titanium dioxide particles tightly bonded to graphene sheets. The invention combines graphene with titanium dioxide to obtain a high effective photocatalyst with excellent properties of graphene and titanium oxide simultaneously. One

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/二氧化钛复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种纳米复合材料及其制备方法以及对于空气中低浓度有机污染气体降解方法，属于空气净化领域的应用。
技术介绍
近年来空气污染问题日趋严重，影响着人们的生活、健康。其中，氮氧化物、硫氧化物、挥发性有机污染气体(VOCS)是的主要污染物。长期暴露在这种污染气体中将引发呼吸道疾病、过敏性疾病、皮肤病、癌症等一系列疾病，因此对于空气净化技术的研究和高性能材料开发具有重要价值(参照文献1)。光催化技术是一种绿色环保的空气净化技术，它能在太阳光下降解NOx、SOx、VOCs等气相有机污染物。二氧化钛因物理化学性质稳定，低成本、安全、无毒的优势，光催化性能高，成为目前应用最为广泛的商用光催化剂，并已成功应用于水体污染物和固定相气体污染物的降解。但是，针对实际室内外环境中低浓度气态污染物的流动、低浓度特点，二氧化钛仍需解决两个难点。首先，由于氧化钛受光激发后产生的电子空穴分离后容易再次复合，导致光能利用率低；其次，由于空气中有机污染污的低浓度，气体分子必须首先吸附于材料表面才能进行下一步反应，导致光催化速率低。已报道的工作中，人们集中于通过元素掺杂或复合某些化合物来提高TiO2的光能利用率(参照文献2，3)；通过负载在沸石、活性炭等吸附性物质提高材料对于低浓度污染气体的吸附性能(参照文献4)。但是已有方法只能单独提高电子空穴分离，或者提高气体分子的吸附，无法同时有效解决这两个问题。石墨烯拥有高载流子迁移率、大比表面积，其表面含有丰富的大π键和含氧官能团，物理吸附、化学吸附能力强，是一种优异的二维纳米材料。如果将其与二氧化钛复合，由于(价带，费米能级)氧化钛上的光生电子将转移到石墨烯上从而促进光生电子空穴分离，延长载流子寿命。另一方面，由于大π键可以提高对于空气中的微量有机物分子的吸附能力。因此，将石墨烯与二氧化钛复合可同时实现延长载流子寿命，增强气体吸附的目的，提高光催化效率。关于氧化钛/石墨烯复合材料已经报道了很多合成方法，例如，利用氧化钛前驱体在石墨烯表面原位合成(参照文献5)、采用电化学方法同步原位还原石墨烯与阳极氧化制备TiO2(参照文献6)、通过在石墨烯与TiO2表面分别修饰有机官能团、通过酯化反应可以将两者充分结合(参照文献7)，或者利用硅烷偶联剂改变氧化钛表面带电性质形成静电组装(参照文献8)，并将其用于甲基蓝、苯酚等液相污染物的研究并得到了不错的降解效果(参照文献9，10)。但是已报到的复合材料中石墨烯完全被氧化钛包裹，表界面效应受到影响，无法充分发挥吸附性能；采用连接剂进行界面桥连方法，在一定程度上影响了材料间电荷传递，因此，已有石墨烯/氧化钛复合材料都无法同时满足界面接触及吸附效果最优化的目的，极大地降低了复合材料实际应用时的光催化效率。此外，目前相关的研究对于石墨烯/氧化钛材料的应用多集中于液相污染物的降解及固定相污染气体降解，对于流动相污染气体，特别是低浓度气态有机污染的吸附、降解研究较少。因此，需要合理构筑复合材料显微结构，兼顾界面接触及吸附性能，达到石墨烯/氧化钛复合材料高效降解低浓度气态有机污染气体的目的；现有技术：文献1Fernandez,L.C.；Alvarez,R.F.；Gonzalez-Barcala,F.J.；Portal,J.A.R.ArchBronconeumol2013,49,22.文献2Hirakawa,T.；Kamat,P.V.JAmChemSoc2005,127,3928.文献3Subramanian,V.；Wolf,E.；Kamat,P.V.JPhysChemB2001,105,11439.文献4Jansson,I.；Suárez,S.；Garcia-Garcia,F.J.；Sánchez,B.AppliedCatalysisB:Environmental2015,178,100.文献5Zhang,Y.；Zhang,N.；Tang,Z.R.；Xu,Y.J.Physicalchemistrychemicalphysics:PCCP2012,14,9167.文献6Pan,X.；Zhao,Y.；Liu,S.；Korzeniewski,C.L.；Wang,S.；Fan,Z.Y.AcsAppliedMaterials&Interfaces2012,4,3944.文献7Zhang,K.；Kemp,K.C.；Chandra,V.MaterLett2012,81,127.文献8Xu,C.；Zhu,J.；Yuan,R.；Fu,X.Carbon2016,96,394.文献9Wang,P.；Wang,J.；Wang,X.；Yu,H.；Yu,J.；Lei,M.；Wang,Y.AppliedCatalysisB:Environmental2013,132-133,452.文献10Lee,J.S.；You,K.H.；Park,C.B.AdvMater2012,24,1084.。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种石墨烯/二氧化钛复合材料及其制备方法，本专利技术的另一目的在于提供一种石墨烯/二氧化钛复合材料在低浓度污染气体净化中的应用。一方面，本专利技术提供了一种石墨烯/二氧化钛复合材料，所述复合材料包括石墨烯和与石墨烯片层紧密贴合的二氧化钛颗粒。本专利技术选用石墨烯与二氧化钛进行复合，得到一种同时具有石墨烯和氧化钛优异性能的高效光催化剂。一方面，石墨烯片层二维结构在电子传输方面具有独特的优势，氧化钛上的光生电子能够有效地导流到石墨烯上，留下空穴，实现光生电子和空穴的分离，从而有效抑制了光生电子空穴的复合率，光照条件下分离开来的光生电子和空穴能够分别与吸附在材料表面的氧气和水等发生反应生成超氧自由基和羟基自由基等多种活性自由基团，从而大大提高了复合材料的光催化活性。另一方面，石墨烯具有大的比表面积以及大π键，有助于吸附有机分子，从而提高局部气体浓度，提高对于低浓度有机气体降解的活性。本专利技术的石墨烯氧化钛复合材料中，石墨烯与纳米级氧化钛有效复合，结构上表现为石墨烯部分包覆二氧化钛结构，石墨烯与氧化钛之间形成Ti-O-C键。石墨烯部分包覆二氧化钛的结构中，石墨烯片层和氧化钛颗粒同时暴露于空气中，有助于同时有效吸附低浓度气态有机污染物以及空气中的氧分子、水分子；石墨烯与氧化钛之间形成Ti-O-C键，形成良好的界面接触，有助于促进氧化钛上面的光生电子转移到石墨烯上。综合以上优点使得该复合材料光催化剂可以长期在常温下保持高催化活性。较佳地，所述石墨烯和二氧化钛颗粒的重量比为(0.001～0.02)：1，更优选(0.002～0.005)：1。根据本专利技术，石墨烯含量少，易于形成石墨烯部分包覆二氧化钛的结构。较佳地，所述石墨烯的片层大小为0.1～30μm。本专利技术中采用的石墨烯为片层数目较小的石墨烯，其层数大约在10层以内，在片层数较小的情况下，可使得该复合材料光催化剂拥有保持具有较高催化活性。较佳地，所述二氧化钛颗粒的粒径为3～50nm，优选5～15nm。另一方面，本专利技术还提供了一种石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法，包括：将无定形二氧化钛与氧化石墨烯一起分散于溶剂中，得到混合溶液，在120～180℃下反应3～12小时，得到所述石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯/二氧化钛复合材料，其特征在于，包括：石墨烯、和与石墨烯片层紧密贴

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/二氧化钛复合材料，其特征在于，包括：石墨烯、和与石墨烯片层紧密贴合的二氧化钛颗粒。2.根据权利要求1所述的石墨烯/二氧化钛复合材料，其特征在于，所述石墨烯和所述二氧化钛颗粒的质量比为（0.001～0.10）：1，优选（0.001～0.02）：1，更优选（0.002～0.005）：1。3.根据权利要求1或2所述的石墨烯/二氧化钛复合材料，其特征在于，所述石墨烯的片层大小为0.1～30µm，层数在10层以内。4.根据权利要求1至3中任一项所述的石墨烯/二氧化钛复合材料，其特征在于，所述二氧化钛颗粒的粒径为3～50nm，优选5～15nm。5.一种权利要求1至4中任一项所述的石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将无定形二氧化钛与氧化石墨烯一起分散于溶剂中，得到混合溶液，在120～180℃下反应3～12小时，得到所述石墨烯/二氧化钛复合材料。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙静，林文娇，谢晓峰，王焱，王晓，陆冠宏，胡译丹，曾庆龙，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31