一种聚合物诱导石墨烯生长多形貌TiO2光催化剂的方法技术

本发明专利技术公开一种聚合物诱导石墨烯生长多形貌TiO2光催化剂的方法，包括如下步骤：1)将石墨烯和蒸馏水混合并进行超声搅拌，得石墨烯分散液；2)在冰水浴条件下，将分散剂、聚合物单体和石墨烯分散液混合搅拌，得第一混合液；3)在冰水浴条件下，将含钛化合物溶于浓酸中，得第二混合液；4)在冰水浴条件下，将所述第二混合液和引发剂混合搅拌，得第三混合液；将所述第一混合液和第三混合液混合搅拌，然后进行水热反应；反应结束后进行后处理，得TiO2/石墨烯复合材料。本发明专利技术结合了多异质结促进电子转移以及暴露高能面的特点，来实现高效光催化产氢以及光降解有机污染物。本发明专利技术的制备方法操作简单、反应时间较短、晶粒尺度均匀和团聚较少。

A method for polymer induced graphene growth of multi morphology TiO2 photocatalyst

The invention discloses a method for polymer-induced graphene growth of multi-morphology titanium dioxide photocatalyst, which comprises the following steps: 1) mixing graphene with distilled water and ultrasonic stirring to obtain graphene dispersion solution; 2) mixing and stirring dispersant, polymer monomer and graphene dispersion solution under ice-water bath conditions to obtain the first mixture solution. (3) Under the condition of ice-water bath, titanium compounds are dissolved in concentrated acid to obtain the second mixture; 4) under the condition of ice-water bath, the second mixture and initiator are mixed and stirred to obtain the third mixture; the first mixture and the third mixture are mixed and stirred, and then the hydrothermal reaction is carried out after the reaction is finished. TiO2/ graphene composites. The invention combines the characteristics of multi-heterojunction promoting electron transfer and exposing high energy surface to realize high-efficiency photocatalytic hydrogen production and photocatalytic degradation of organic pollutants. The preparation method of the invention is simple in operation, short in reaction time, uniform in grain size and less in agglomeration.

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物诱导石墨烯生长多形貌TiO2光催化剂的方法
本专利技术属于光催化
更具体地，涉及一种聚合物诱导石墨烯生长多形貌TiO2光催化剂的方法。
技术介绍
能源短缺和环境问题是困扰人类可持续发展的两大难题，半导体光催化分解水产氢，将太阳能转换成化学能，具有低能耗、易操作、环境友好等突出优点，为解决环境和能源问题提供了一条有效的途径。TiO2是一种传统的光催化剂，广泛用于光催化降解有机物及产氢领域。但TiO2自身存在着电子-空穴易复合的缺点，需要不断的优化，比如形貌的调控以及异质复合材料的设计。石墨烯作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，具有很大的比表面积，可以作为金属纳米粒子的载体材料，它在载流子传输方面的性能为制备先进催化剂提供了方法。因此，TiO2和石墨烯的复合可以大大提高光催化性能。目前报道的TiO2形貌的调控，主要是有水热方法，表面活性剂诱导或者是晶种的生长的方法。单一的水热方法、表面活性剂诱导以及晶种生长的方法，对反应前驱体溶液中的组分配比以及反应条件的要求高，产量少，且合成步骤繁琐，重复性差。加入石墨烯后，会导致溶液组成变化，难以得到预期形貌结构。因此，本专利技术提出了一种聚合物诱导石墨烯上生长多形貌TiO2光催化剂的方法，此方法操作简单、晶粒尺度均匀、形貌可控、团聚较少；最重要的是导电聚合物还可进一步对增强电子转移，延长电子寿命做出贡献，最终得到具有很高全光及可见光光催化活性的复合材料。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种聚合物诱导石墨烯生长多形貌TiO2光催化剂的方法。该方法通过将石墨烯、分散剂、含钛化合物、聚合物和引发剂混合，然后在一定条件下进行水热反应，即得TiO2/石墨烯复合材料。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种聚合物诱导石墨烯生长多形貌TiO2光催化剂的方法，包括如下步骤：1)将石墨烯和蒸馏水混合并进行超声搅拌，得石墨烯分散液；2)在冰水浴条件下，将分散剂、聚合物单体和石墨烯分散液混合搅拌，得第一混合液；3)在冰水浴条件下，将含钛化合物溶于浓酸中，得第二混合液；4)在冰水浴条件下，将所述第二混合液和引发剂混合搅拌，得第三混合液；将所述第一混合液和第三混合液混合搅拌，然后进行水热反应；反应结束后进行后处理，得TiO2/石墨烯复合材料(TiO2/RGO复合材料)。进一步，所述含钛化合物以锐钛矿的形式存在；优选地，所述含钛化合物为四氯化钛、偏钛酸、钛酸四丁酯或钛酸四异丙酯；进一步，所述石墨烯是通过化学气相沉积法、微机械分离法、氧化-还原法、溶剂剥离法或溶剂热法中一种方法制备得到的。本专利技术制备的石墨烯具有高导电性、高强度和超大比表面积的特性。进一步，所述分散剂为十二烷基硫酸钠、亚甲基双萘磺酸钠、亚甲基双甲基萘磺酸钠、丙烯酸钠、聚丙烯酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯或甲基丙烯酸酯。进一步，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵；优选地，所述引发剂为过硫酸铵；本专利技术的引发剂能提高水热反应的速率，降低能耗。进一步，所述聚合物单体为吡咯、苯胺、噻吩、苯硫醚、氮化硫、乙炔或酞氰。在步骤4)中，第一混合液中的聚合物单体通过引发剂形成聚合物，然后诱导石墨烯上生长不同形貌的二氧化钛，实现了TiO2片层与石墨烯片层的均匀复合。进一步，所述浓酸为浓盐酸、浓硝酸、浓硫酸或浓醋酸；优选地，所述浓酸为36.5wt％浓盐酸、65wt％浓硝酸、98wt％浓硫酸或99.5wt％浓醋酸；更优选地，所述浓酸为36.5wt％浓盐酸。本专利技术的浓酸是用来抑制含钛化合物水解生成TiO2。进一步，所述水热反应的温度为100-300℃，水热反应的时间为5-48h。进一步，所述后处理是指将反应后的产物进行离心、洗涤和过滤，然后烘干并研成粉末。进一步，所述洗涤是指用两种有机溶剂进行洗涤，所述有机溶剂为乙醇、丙酮、二甲基亚砜或二甲基甲酰胺；优选地，所述有机溶剂为乙醇或丙酮。本专利技术采用有机溶剂洗涤是为了去除反应的分散剂。进一步，所述石墨烯与蒸馏水的质量比为：1：1000-10000；所述石墨烯与聚合物单体的质量比为1:0.1-50；所述石墨烯与含钛化合物的质量比为1:1-10。进一步，所述分散剂与蒸馏水的质量比为1：1000-10000。进一步，所述含钛化合物与浓酸的质量比为1:0.1-10；所述引发剂与浓酸的质量比为1:1-50。本专利技术诱导石墨烯上生长不同形貌的二氧化钛，TiO2/石墨烯复合材料中TiO2的形貌可以是二维片层，棒状，球状，花状或量子点；选择不同的聚合物单体或者反应条件，可以控制TiO2的形貌因子。本专利技术的第二个目的是提供一种TiO2/石墨烯复合材料的应用，所述TiO2/石墨烯复合材料可以用于光催化产氢和光催化降解有机物。本专利技术的TiO2/石墨烯复合材料通过下述三种方式提高光催化产氢和光催化降解有机物的性能：a、多元复合引起的氧化还原电位的变化,产生大量可分解水产氢以及氧化有机物的活性物种，如·OH和·O22-；b、暴露大量活性位点；c、多异质界面。本专利技术利用聚合物诱导石墨烯上生长多形貌TiO2，主要是通过聚合物链与石墨烯共价接枝或共轭复合后吸附含钛化合物，然后在水热反应中会发生弯曲缠绕，根据聚合物种类的差异，在石墨烯上可生长不同形貌的TiO2，形成TiO2/石墨烯复合材料。在可见光或全光的照射下，光生电子能通过TiO2/石墨烯复合材料转移到TiO2的导带，促进电子--空穴的分离，产生大量可分解水产氢的活性物种或降解染料的活性物种，如·OH和·O22--；另外，导电聚合物的LUMO-HOMO能级可进一步增强电子转移，延长电子寿命，从而提高了纯的TiO2整块材料的光催化活性。本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术制备的TiO2/石墨烯复合材料光吸收范围较宽，具有高效的光催化产氢、光降解有机物的性能；并且TiO2/石墨烯复合材料还具有很好的可重复性及优良的稳定性。2、本专利技术结合了多异质结促进电子转移以及暴露高能面的特点，来实现高效光催化产氢以及光降解有机污染物。3、本专利技术的制备方法操作简单、反应时间较短、晶粒尺度均匀和团聚较少。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出本专利技术实施例1中片层TiO2/RGO复合材料的XRD图。图2示出本专利技术实施例1中片层TiO2的紫外可见图。图3示出本专利技术实施例1中片层TiO2/RGO复合材料的紫外可见图。图4示出本专利技术实施例1中片层TiO2/RGO复合材料的透射电镜图。图5示出本专利技术实施例4中球状TiO2/RGO复合材料的透射电镜图。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。实施例1一种聚合物诱导石墨烯生长片层TiO2光催化剂的方法，包括如下步骤：1)以氧化石墨烯为原料，采用氧化还原法制备石墨烯；2)将10mg石墨烯和20mg蒸馏水混合并进行超声搅拌15min，得石墨烯分散液；3)在冰水浴条件下，将5mg的十二烷基硫酸钠和50mg的苯胺加入到石墨烯分散液中，然后混合搅拌，得第一混合液；4)在冰水浴条件下，将0.5mL四氯化钛溶于0.6mL浓盐酸中，然后搅拌15min，得第二混合液；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物诱导石墨烯生长多形貌TiO2光催化剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将石墨烯和蒸馏水混合并进行超声搅拌，得石墨烯分散液；2)在冰水浴条件下，将分散剂、聚合物单体和石墨烯分散液混合搅拌，得第一混合液；3)在冰水浴条件下，将含钛化合物溶于浓酸中，得第二混合液；4)在冰水浴条件下，将所述第二混合液和引发剂混合搅拌，得第三混合液；将所述第一混合液和第三混合液混合搅拌，然后进行水热反应；反应结束后进行后处理，得TiO2/石墨烯复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种聚合物诱导石墨烯生长多形貌TiO2光催化剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将石墨烯和蒸馏水混合并进行超声搅拌，得石墨烯分散液；2)在冰水浴条件下，将分散剂、聚合物单体和石墨烯分散液混合搅拌，得第一混合液；3)在冰水浴条件下，将含钛化合物溶于浓酸中，得第二混合液；4)在冰水浴条件下，将所述第二混合液和引发剂混合搅拌，得第三混合液；将所述第一混合液和第三混合液混合搅拌，然后进行水热反应；反应结束后进行后处理，得TiO2/石墨烯复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含钛化合物为四氯化钛、偏钛酸、钛酸四丁酯或钛酸四异丙酯。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散剂为十二烷基硫酸钠、亚甲基双萘磺酸钠、亚甲基双甲基萘磺酸钠、丙烯酸钠、聚丙烯酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯或甲基丙烯酸酯。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引发...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敏，王超，李丽媛，谷文丽，黄勇，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11