高效非金属可见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，具体涉及一种高效非金属可见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Hummers法制备氧化石墨烯水溶液；2）在氧化石墨烯水溶液中将氧化石墨烯的醚基羟基化，回流，得到羟基化改性石墨烯；3）将羟基化改性石墨烯的羟基羧基化，得到羧基化改性石墨烯；4）在羧基化改性石墨烯表面生长聚噻吩，得到羧基化改性石墨烯/聚噻吩复合高效非金属可见光催化剂。通过本发明专利技术所提供的高效非金属可见光催化剂的制备方法可以简单、高效、低成本的制备得到不掺杂贵金属的非金属可见光催化剂，易于工业化，解决了传统光催化剂成本高的问题。

【技术实现步骤摘要】
高效非金属可见光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于催化剂
，具体涉及一种高效非金属可见光催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
环境问题日益严重，光催化降解法是未来处理污水、污染空气最有前景的方法。然而，传统的光催化剂如TiO2、ZnO、Fe3O4、ZrO2、ZnS、CdS或BiVO4等主要的吸收区为紫外光，而太阳光中紫外光的部分很少，故而没能充分利用太阳光。通过贵金属负载或者掺杂的办法可以使得这些传统光催化剂吸光范围扩展，然而成本太高，无法大规模制备。聚噻吩作为一种有机半导体，已经在电子产品领域广泛应用，并且它具有较窄的带隙，可以吸收可见光，是一种很有前景的光催化材料。然而由于它的量子产率低，分散性差，故而鲜有尝试，且效果很差。氧化石墨烯是一种具有大比表面积、含很多含氧基团的二维材料，分散性好，吸附能力强，通过改性，使得羧基增加，体系中的羟基，醚键减少，既保证了水溶性，又使得大共轭环尽量少被破坏，使局部具有良好的电子传输能力。通过羧基化石墨烯和聚噻吩的复合，我们首次得到具有高效降解能力的可见光催化剂。目前，未见羧基化石墨烯和聚噻吩的复合光催化剂相关的技术方案公开。
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非金属可见光催化剂及其制备方法和应用，可以解决传统光催化剂成本高的问题。本专利技术所提供的技术方案如下：一种高效非金属可见光催化剂，包括：羧基化氧化石墨烯片层以及生长在所述羧基化氧化石墨烯片层表面的聚噻吩，其中，所述聚噻吩的结构通式如下：或其中：R1选自氢、烷基、烷氧基、酯基等，R2选自氢、烷基、烷氧基、酯基等，R1与R2相同或不同，n1为100～10000；n2为100～10000。在本专利技术所提供的高效非金属可见光催化剂中，聚噻吩与羧基化氧化石墨烯片层通过π-π共轭耦合。在可见光光照下，聚噻吩通过光电效应产生光生电子和空穴，光生电子经由π-π共轭传递给羧基化氧化石墨烯片层，从而在羧基化氧化石墨烯片层表面生成自由基进行催化，例如，光生电子电子和双氧水结合形成羟基自由基，对污染物进行催化降解。同时，光电效应在聚噻吩上留下的空穴也可以直接氧化降解污染物。优选的，R1选自氢、烷基、烷氧基、酯基等，R2选自氢、烷基、烷氧基、酯基等，R1与R2相同或不同，n1为100～10000；或者，为PEDOT（聚3,4-乙烯二氧噻吩），n2为100～10000。基于上述技术方案，可以实现以原位生长法低成本制备该高效非金属可见光催化剂。并且，通过上述基团的修饰，可以使得聚噻吩衍生物和石墨烯之间具有更强的相互作用，具有更好的电子传递能力，光电子得到更好的利用。具体的，所述羧基化氧化石墨烯片层为单层或多层。本专利技术还提供了一种高效非金属可见光催化剂的制备方法，包括以下步骤：1）以Hummers法制备氧化石墨烯水溶液；2）在氧化石墨烯水溶液中将氧化石墨烯的醚基羟基化，回流，得到羟基化改性石墨烯；3）将羟基化改性石墨烯的羟基羧基化，得到羧基化改性石墨烯；4）在羧基化改性石墨烯表面生长聚噻吩，得到羧基化改性石墨烯/聚噻吩复合高效非金属可见光催化剂。优选的，步骤2）中，以无机碱将氧化石墨烯的醚基羟基化。例如，利用氢氧化钠溶液调pH至碱性，加热回流，将氧化石墨烯的醚基羟基化。此时，pH值优选8，加热温度优选70℃，回流时间优选4h。优选的，步骤3）中，以无机氧化剂将羟基化改性石墨烯进行羟基羧基化。例如，利用酸性高锰酸钾溶液。室温反应，将羟基化改性石墨烯进行羟基羧基化。酸性高锰酸钾溶液优选浓硫酸（98%）和高锰酸钾混合液，其中按质量比计，浓硫酸：高锰酸钾：氧化石墨烯用量比为2:2:1。在氧化石墨烯的内部的羟基和醚键会阻碍聚噻吩与石墨烯的ππ共轭。而经过羧基化后，羧基分散到石墨烯的边缘，从而使聚噻吩与石墨烯的相互作用更强，性能更好。在上述技术方案中，以无机碱无机氧化物进行反应，生成的无机杂质可以很容易的分离除去。优选的，步骤4）中，聚噻吩的结构通式如下：或其中：R1选自氢、烷基、烷氧基、酯基等，R2选自氢、烷基、烷氧基、酯基等，R1与R2相同或不同，n1为100～10000；n2为100～10000。优选的，聚噻吩衍生物为PEDOT（聚3,4-乙烯二氧噻吩），n2为100～10000。上述技术方案可以实现以原位合成法低成本制备该高效非金属可见光催化剂。并且，通过上述基团的修饰，可以使得聚噻吩衍生物和石墨烯之间具有更强的相互作用，具有更好的电子传递能力，光电子得到更好的利用。具体的，步骤4）中，通过原位合成法在羧基化改性石墨烯表面生长聚噻吩。噻吩单体优选β位有给电子取代基的，最优选EDOT，羧基化改性石墨烯与噻吩单体质量比优选1:2，无水氯化铁与噻吩单体质量比优选9:1。通过本专利技术所提供的高效非金属可见光催化剂的制备方法可以简单、高效、低成本的制备得到不掺杂贵金属的非金属可见光催化剂，易于工业化，解决了传统光催化剂成本高的问题。本专利技术还提供了根据本专利技术所提供的高效非金属可见光催化剂的制备方法制备得到的高效非金属可见光催化剂。本专利技术所提供的高效非金属可见光催化剂分散性较好，且不含金属，在可见光下具有高效催化降解多种污染物的能力。本专利技术还提供了本专利技术所提供的高效非金属可见光催化剂在光催化反应中的应用。本专利技术所提供的高效非金属可见光催化剂分散性较好，在可见光下具有高效催化降解多种污染物的能力。附图说明图1为实施例1的制备过程中得到的羧基化石墨烯的XPSC1S图。图1中，从左往右三个峰依次为C=C、C-O和C=O。图2为实施例1得到的羧基化石墨烯/聚噻吩可见光催化剂的SEM图。图3为实施例1得到的羧基化石墨烯/聚噻吩可见光催化剂的光电流相应图。图4为100mg/L实施例1得到的羧基化石墨烯/聚噻吩可见光催化剂对比空白双氧水（450mg/L）的降解20mg/L苯酚的催化动力学数据。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基化改性石墨烯/聚噻吩复合催化剂1的制备一、利用Hummers法制备氧化石墨烯，用稀盐酸和去离子水洗涤三遍后，配成2mg/mL的溶液；二、利用氢氧化钠溶液调pH至8.0，加热至70℃，回流4h，冷却至室温；三、加入酸性高锰酸钾溶液（浓硫酸（98%）和高锰酸钾质量比1:1混合），室温反应4h，加丙酮，离心，冻干，得到羧基化改性石墨烯；四、将0.1g羧基化改性石墨烯于100ml乙腈溶液中超声分散，加入0.2g噻吩单体（1-硫杂-2,4-环戊二烯），搅拌并通氮气0.5h，滴加1.8g无水氯化铁的100ml乙腈溶液，滴加2h，室温反应24h，离心，烘干，得到羧基化改性石墨烯/聚噻吩复合催化剂1。实施例2基化改性石墨烯/聚噻吩复合催化剂2的制备本实施例与具体实施例1不同的是步骤二中pH的值为9，其他与具体实施例1相同。实施例3基化改性石墨烯/聚噻吩复合催化剂3的制备具体实施例三：本实施例与具体实施例1不同的是步骤二中温度为80℃，其他与具体实施例1相同。实施例4基化改性石墨烯/聚噻吩复合催化剂4的制备具体实施例四：本实施例与具体实施例1不同的是步骤四中噻吩的量为0.4g，其他与具体实施例1相同。实施例5基化改性石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合催化剂4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效非金属可见光催化剂，其特征在于，包括：羧基化氧化石墨烯片层以及生长在所述羧基化氧化石墨烯片层表面的聚噻吩或聚噻吩衍生物，其中，所述聚噻吩或聚噻吩衍生物的结构通式如下：

【技术特征摘要】
1.一种高效非金属可见光催化剂，其特征在于，包括：羧基化氧化石墨烯片层以及生长在所述羧基化氧化石墨烯片层表面的聚噻吩或聚噻吩衍生物，其中，所述聚噻吩或聚噻吩衍生物的结构通式如下：或其中：R1选自氢、烷基、烷氧基、酯基，R2选自氢、烷基、烷氧基、酯基，R1与R2相同或不同，n1为100～10000；n2为100～10000。2.根据权利要求1所述的高效非金属可见光催化剂，其特征在于：聚噻吩衍生物为（聚3,4-乙烯二氧噻吩）。3.根据权利要求1所述的高效非金属可见光催化剂，其特征在于：所述羧基化氧化石墨烯片层为单层或多层。4.一种高效非金属可见光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）以Hummers法制备氧化石墨烯水溶液；2）在氧化石墨烯水溶液中将氧化石墨烯的醚基羟基化，回流，得到羟基化改性石墨烯；3）将羟基化改性石墨烯的羟基羧基化，得到羧基化改性石墨烯；4）在羧基化改性石墨烯表面生长聚噻吩，得到羧基化改性石墨烯/聚噻吩复合高...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪昕林，余越，
申请(专利权)人：武汉金弘扬化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42