一种发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种发电‑储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的制备方法，涉及半导体光催化材料技术领域，所述制备方法为：制备改性氧化石墨烯，然后在N,N‑二甲基甲酰胺中超声分散，加入压电聚合物，加热搅拌，通过相分离法制备得到多孔复合薄膜，清洗，干燥，得到发电‑储能多孔薄膜；之后反复浸入用于合成光催化剂的反应溶液中，使得半导体催化剂可以原位的生长在薄膜表面，即可制备得到。本发明专利技术通过添加改性氧化石墨烯和制备多孔复合材料的手段，实现弱力条件下的发电储能一体化功能，该薄膜可以收集和转换微弱的机械能并给负载在其表面的半导体光催化剂提供电场，从而解决光催剂催化过程中的电子‑空穴复合问题，进一步提高催化剂光催化性能。

Preparation method of composite material for power generation energy storage porous film supported photocatalyst

The invention discloses a preparation method of a composite material of photocatalyst loaded on porous film for power generation and energy storage, which relates to the technical field of semiconductor photocatalytic materials. The preparation method comprises preparing modified graphene oxide, ultrasonic dispersion in N, N dimethylformamide, adding piezoelectric polymer, heating and stirring, and passing through the phase. Porous composite films were prepared by separation, cleaning and drying, and porous films for power generation and energy storage were obtained. After that, they were repeatedly immersed in the reaction solution for synthesis of photocatalysts, so that semiconductor catalysts could grow on the surface of the films in situ, so that they could be prepared. By adding modified graphene oxide and preparing porous composite materials, the invention realizes the integration function of power generation and energy storage under weak force conditions. The thin film can collect and convert weak mechanical energy and provide electric field for semiconductor photocatalyst loaded on its surface, thereby solving the problem of electron gap in photocatalytic process of photocatalyst. The problem of hole combination further improves the photocatalytic performance of the catalyst.

【技术实现步骤摘要】
一种发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的制备方法
本专利技术属于半导体光催化材料
，具体涉及一种发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
太阳能以光能的形式不分区域地直接照射到地球上的每个角落。地球表面每秒钟可以从太阳获得的能量大约是1.757×107焦耳。太阳能本身具有清洁，储量大，无二次污染，并且可以无限循环使用等优点。这些优点决定了太阳能在新能源中的领先地位，使得太阳能成为具备大规模开发和无限利用的最重要的新能源。太阳能有很多的利用方式，在当前阶段主要分为以下三种：第一种是利用太阳能进行光能和热能的转换，是分布在中国民间最广泛的太阳能利用方式；第二种是利用太阳能进行光能和电能的转换。第三种是利用太阳能进行化学能的转换。光催化技术，是一门利用太阳能来开发可再生能源的新兴技术，并且在环境净化上它表现出了巨大的应用前景，因此光催化技术成为了当前本领域技术人员研究的热点。但本申请专利技术人在实现本申请具体实施例中的专利技术技术方案的过程中，发现光催化过程中产生的光生电子和空穴容易复合，降低光催化性能，限制了半导体光催化的大规模工业应用。针对该问题，本领域技术人员提出了内建电场増强理论，即半导体铁电自发极化，产生内建电场提供驱动力，促进光生载流子的分离。但该内建电场固定且易饱和，限制了光催化能力提高。当前普遍采用外力驱动压电材料，周期调控内建电场，以增强电子和空穴的分离。水体中的压电材料产生电场通常需要高强度和频率的作用力驱动，而自然水体环境中分布的机械力通常复杂、温和、频率低，需要压电材料具有很好的柔性和灵敏度，以有效收集机械能从而产生电场。除聚偏氟乙烯及其共聚物具备天然的柔性外，绝大多数无机压电材料若不复合额外柔性基板做支撑，通常呈颗粒状且质地脆硬，在水体中难以回收。同时，自然水体中水流产生的作用力频率较低，柔性压电材料在无力作用时不能产生电场来增强电子和空穴的分离，会降低光催化效果。因此，亟需研发一种柔性发电-储能材料衬底，在自然水体无规则弱作用力条件下产生强度较高、持续时间较长的电场，解决光催化过程中的电子-空穴复合问题，提高光催化剂催化性能。
技术实现思路
为了克服现有的光催化过程中产生的光生电子和空穴容易复合，降低光催化性能，限制了半导体光催化的大规模工业应用的不足,本申请实施例提供了一种发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的制备方法，通过添加改性氧化石墨烯和制备多孔复合材料的手段，实现弱力条件下的发电储能一体化功能，该薄膜可以收集和转换微弱的机械能并给负载在其表面的半导体光催化剂提供电场，从而解决光催剂催化过程中的电子-空穴复合问题，进一步提高催化剂光催化性能。本申请实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：一种发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)制备改性氧化石墨烯；(2)将改性氧化石墨烯在N,N-二甲基甲酰胺中超声分散，加入压电聚合物，加热搅拌，通过相分离法制备得到多孔复合薄膜，清洗，干燥，得到发电-储能多孔薄膜；(3)将发电-储能柔性薄膜反复浸入用于合成光催化剂的反应溶液中，使得半导体催化剂可以原位的生长在薄膜表面，即可制备得到发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料。优选的，步骤(1)中，取氧化石墨烯粉末和浓度为1-25mg/ml改性剂置入溶剂中形成浓度为1-5mg/ml的溶液，超声分散30min，加入浓度为1-25mg/ml失水剂、浓度为0.06-1.6mg/m催化剂，加热至45-55℃并混合搅拌，反应20-30h，通过乙醇水溶液在5000-7000rpm离心清洗3-5次。更优选的，所述的改性剂为五氟苯甲酸；所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰；所述的失水剂为二环己基碳二亚胺；所述的催化剂为4-二甲氨基吡啶。在该过程中，在二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶的共同作用下(脱水和催化作用)，氧化石墨的羟基与五氟苯甲酸的羧基发生化学反应，得到五氟苯甲酸共价改性氧化石墨烯。五氟苯甲酸与氧化石墨烯之间发生羧基和羟基的化学反应，确保五氟苯甲酸通过共价键改性氧化石墨，从而牢固的包覆在氧化石墨烯表面，使得改性氧化石墨烯与聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)有很好相容性，得到改性效果良好的氧化石墨烯，确保之后制备的复合材料可以实现良好的发电储能性能。优选的，步骤(2)中，所述的压电聚合物为聚偏氟乙烯-六氟丙烯；所述的M(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)/V(N,N-二甲基甲酰胺)＝(2-4)g/(15-25)ml；所述的压电聚合物为聚偏氟乙烯-六氟丙烯；所述的加热温度为70-80℃；所述的相分离法具体步骤为：将聚偏氟乙烯-六氟丙烯、改性氧化石墨烯和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液倒入玻璃圆盘模具中，加入过量清水，通过水将N,N-二甲基甲酰胺置换出来，得到析出的改性氧化石墨烯/聚偏氟乙烯-六氟丙烯复合材料，烘干后得到多孔复合薄膜。更优选的，所述的M(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)/V(N,N-二甲基甲酰胺)＝3g/20ml；所述的加热温度为80℃。优选的，步骤(3)中，所述的合成光催化剂的反应溶液为：浓度为80-150mg/ml的Bi(NO3)3·5H2O和浓度为50-80mg/ml的KI反应原溶液；或，浓度为10-30mg/ml的Cd(NO3)3和浓度为3-5mg/mlNa2S反应原溶液，可以分别得到原位生长在薄膜上的BiOI和CdS。本申请实施例的优点是：1、由于采用了五氟苯甲酸共价改性氧化石墨烯，同时采用压电聚合物聚偏氟乙烯-六氟丙烯，所以，有效解决了现有技术中的薄膜发电-储能性能较低的问题，进而实现了薄膜发电-储能性能增强的技术效果。2、由于采用了多孔结构设计的技术手段，所以，有效解决了现有技术中的弱力难以收集和转换的问题，以及解决了因片层薄膜比表面积小所以负载量少的问题，进而实现了薄膜对力响应的灵敏度和对光催化剂的负载量提升的技术效果。3、由于采用了发电储能柔性薄膜原位负载光催化剂的技术手段，所以，有效解决了给光催化剂提供周期性电场的问题，进而实现了通过收集和转换弱机械力为光催化剂提供周期性电场，从而实现光催化性能提升。附图说明图1为本专利技术制备得到的发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的结构示意图；图2为本专利技术制备得到的发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料开路电压值和保持时间；图3为本专利技术制备得到的发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料负载BiOI和CdS在水流和光照作用下的光催化性能。具体实施方式本申请实施例通过提供一种发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料，解决现有技术中光催化过程中的电子-空穴复合的问题。本申请实施例中的技术方案为解决上述催化过程中的电子-空穴复合的问题，总体思路如下：一、发电-储能多孔膜负载光催化剂复合材料的制备实施例1：(1)先将五氟苯甲酸与氧化石墨烯(5:1)在10mlN,N-二甲基甲酰胺中分散，超声40min，加入二环己基碳二亚胺(10mg/mL)和4-二甲氨基吡啶(1mg/mL)，分散均匀后，加热至50℃，反应24h，使得五氟苯甲酸充分与氧化石墨烯发生共价反应，然后用乙醇和水混合溶液清洗离心3次以上，用于去除多余的五氟苯甲酸改性剂，取出底部沉淀，冷冻干燥36h。(2)将一定量的五氟苯甲酸改性氧化石墨烯(0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种发电‑储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)制备改性氧化石墨烯；(2)将改性氧化石墨烯在N,N‑二甲基甲酰胺中超声分散，加入压电聚合物，加热搅拌，通过相分离法制备得到多孔复合薄膜，清洗，干燥，得到发电‑储能多孔薄膜；(3)将发电‑储能柔性薄膜反复浸入用于合成光催化剂的反应溶液中，使得半导体催化剂可以原位的生长在薄膜表面，即可制备得到发电‑储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)制备改性氧化石墨烯；(2)将改性氧化石墨烯在N,N-二甲基甲酰胺中超声分散，加入压电聚合物，加热搅拌，通过相分离法制备得到多孔复合薄膜，清洗，干燥，得到发电-储能多孔薄膜；(3)将发电-储能柔性薄膜反复浸入用于合成光催化剂的反应溶液中，使得半导体催化剂可以原位的生长在薄膜表面，即可制备得到发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料。2.如权利要求1所述的一种发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，取氧化石墨烯粉末和浓度为1-25mg/ml改性剂置入溶剂中形成浓度为1-5mg/ml的溶液，超声分散30min，加入浓度为1-25mg/ml失水剂、浓度为0.06-1.6mg/m催化剂和浓度为1-25mg/ml改性剂，加热至45-55℃并混合搅拌，反应20-30h，通过乙醇水溶液在5000-7000rpm离心清洗3-5次。3.如权利要求2所述的一种发电-储能多孔薄膜负载光催化剂复合材料的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟望舒，张以河，安琪，黄洪伟，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11