一种2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法及该材料之应用技术

本发明专利技术公开了一种2D‑TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法及应用，该方法主要步骤包括：将一定量石墨烯(GR)加入到乙二醇中，经超声处理后均匀分散混合。然后在冰水浴条件下，将液态的TiCl4逐滴滴入至乙二醇(EG)中，超声处理30min‑60min水解形成胶状的TiO2(B)‑GR前驱体；再称取一定量的TiO2(B)‑GR前驱体置于烧杯中，并根据1:30‑1:60的体积比向溶液中加入去离子水并搅拌均匀形成TiO2(B)‑GR前驱体水溶液；随后将TiO2(B)‑GR前驱体水溶液在密闭的反应釜中进行130℃‑170℃水热反应，水热反应时间不多于6h，待反应结束后得到的样品用无水酒精以及去离子水交替冲洗3‑5次，并在100℃的干燥箱中干燥得到2D‑TiO2(B)/石墨烯光催化材料；将TGN在氩气气氛中进行等离子体溅射处理，0‑60min后得到TGN等离子光催化材料。其比表面积大且具有一定的光催化活性的超薄纳米结构，其实施费用低、结构稳定、操作简便，制备周期短，是一种高效经济的合成方法。

Preparation of a 2D-Titania(B)/Graphene Photocatalytic Material and Its Application

The invention discloses a preparation method and application of a 2D titanium dioxide (B) / graphene high-efficiency photocatalytic material. The main steps of the method include: adding a certain amount of graphene (GR) into ethylene glycol and evenly dispersing and mixing after ultrasonic treatment. Then the liquid TiCl4 was dripped into ethylene glycol (EG) in ice-water bath, and hydrolyzed to form colloidal titanium dioxide (B)GR precursor by ultrasonic treatment for 30 min_60 min. Then a certain amount of titanium dioxide (B)GR precursor was weighed and placed in beaker, and deionized water was added to the solution according to the volume ratio of 1:30_1:60 and stirred evenly to form the aqueous solution of titanium dioxide (B)GR precursor; then the titanium dioxide (B)GR precursor was formed. The precursor aqueous solution was hydrothermal reacted at 130 170 C in an airtight reactor for no more than 6 hours. After the reaction, the samples were washed alternately with anhydrous alcohol and deionized water for 3_5 times, and then dried in a drying chamber at 100 C to obtain the photocatalytic material of 2(B)/graphene. The TGN was plasma sputtered in argon atmosphere for 0_60 minutes. The TGN plasma photocatalytic material was obtained. Ultra-thin nanostructures with large specific surface area and certain photocatalytic activity have the advantages of low cost, stable structure, simple operation and short preparation cycle. They are an efficient and economical synthesis method.

【技术实现步骤摘要】
一种2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法及该材料之应用
本专利技术涉及一种新型2D结构纳米材料，主要用于光解水系统中的产氢催化剂材料，具体涉及一种2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法及该材料之应用。
技术介绍
近年来，随着经济社会的发展，煤炭，石油等不可再生能源正在被大量消耗，为了减轻对化石能源的依赖性，寻找和利用能够代替不可再生能源的例如氢能等新型能源成为了当今时代研究的热点问题。其中，氢能源因其高的换能效率及清洁无污染在新能源领域受到了越来越多的关注。在众多催化材料中，TiO2因其绿色环保无毒性，较好的稳定性和耐酸碱性以及稳定的连续产氢性能在光催化领域中收到了广泛的研究和应用。然而，现有的TiO2(B)相研究热度逐渐降低，一方面是由于其适合光催化的物相种类较为局限，另一方面是在实际应用中因自身结构而导致存在的缺陷还存在着许多的问题，诸如传统的金红石以及锐钛矿两种晶型的TiO2材料催化活性低，而高性能的催化剂制备工艺复杂且产量低；耦合半导体化学性质不稳定且长期使用容易被腐蚀从而产生催化剂中毒现象；离子掺杂工艺复杂且对催化性能提高有限；简单物理负载的贵金属颗粒与的结合力比较弱，在使用过程中容易脱落从而造成催化能力下降等问题都限制了该材料的商业化应用。我们研究的新型2D-TiO2(B)/石墨烯催化剂表现出较好的催化活性，该材料基于石墨烯的超薄纳米多层结构，在石墨烯表面生长TiO2(B)纳米絮状结构，有效的提高了这种石墨烯材料的比表面积，经过等离子体溅射后，有利于暴露具有更多活性位点的单晶表面，进而提高催化活性；同时这种2D超薄纳米材料拥有很高的比表面积以及紧致层状的TiO2结构，并且石墨烯基底能够提高电子的传输效率，材料表面分布着很多的开放离子通道，会很大程度促进光生电子以及空穴的转移和氧化还原反应。因此从性能、经济等方面考虑，2D-TiO2(B)/石墨烯的研究都是必要且合理的。
技术实现思路
针对现有技术，本专利技术提供一种成本低、制备过程简单的2D-TiO2(B)/石墨烯光催化材料的制备方法，本专利技术其实施费用低、结构稳定、操作简便，制备周期短，是一种高效经济的合成方法。本专利技术制备得到的2D纳米结构材料主要用于光催化系统中的催化剂。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了.一种2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法，包括以下步骤：1)将石墨烯加入至乙二醇中，得到石墨烯-乙二醇混合溶液，超声处理后冷却至室温；2)在冰水浴的条件下，将液态的TiCl4逐滴滴入至石墨烯-乙二醇混合溶液中，超声处理后形成TiO2(B)-GR胶状前驱体；3)将步骤2)取TiO2(B)-GR前驱体溶液置于烧杯中，然后向溶液中加入去离子水形成TiO2(B)-GR前驱体水溶液并搅拌均匀；4)将步骤3)制得的TiO2(B)-GR前驱体水溶液在密闭的反应釜中进行水热反应，将反应结束后，制得的样品用无水酒精以及去离子水交替冲洗，然后置于干燥箱中干燥得到2D-TiO2(B)/石墨烯复合材料(以下文中表述为TGN)；5)将步骤4)制得的复合材料于氩气气氛中完成等离子体溅射处理，一段时间后得到TGN等离子光催化材料(以下文中表述为TGN/Plasma)。所述步骤1)中石墨烯GR在乙二醇EG中的浓度为1-3mg/ml。所述步骤1)中超声处理时间为30-60min。所述步骤2)中TiCl4与TiO2(B)-GR胶状前驱体的体积比为0.1:15-1:15。所述步骤2)中超声处理时间为30min-60min。所述步骤3)中量取10-20mlTiO2(B)-GR前驱体溶液于烧杯中。所述步骤3)中去离子水的添加量与TiO2(B)-GR前驱体溶液的体积比为1:30-1:60。所述步骤4)中TiO2(B)-GR前驱体水溶液在密闭的反应釜中于130-170℃进行水热反应，水热反应时间0.5-6h。所述步骤4)中经过洗涤后的反应产物于90-100℃下干燥。所述步骤5)中2D-TiO2(B)/石墨烯复合材料在氩气气氛中进行等离子体溅射时间为1-60min。本专利技术的第二个技术方案是根据上述制备方法制备2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的应用，用于光解水产氢催化剂材料。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：2D-TiO2(B)/石墨烯作为光催化材料在拥有其独特优势，无毒、无害、价格便宜，物理化学性质稳定，同时该材料具有很高的比表面积，有效的增加了光接触面积，提高了活性位点的催化效率以及活性总量，很大程度改善了以前TiO2材料反应活性位点利用率低的问题；另外，2D-TiO2(B)/石墨烯材料基于石墨烯组织结构，在拥有超薄原子级厚度的同时材料表面分布着很多的开放离子通道，利于层与层之间的光生电子、空穴的传输转移以及光催化反应的进行，而且紧致的层状结构增强基体本身价键径向连接的稳定性，从而可以保证光催化过程中材料的使用寿命。因此在光解水产氢催化剂的制备领域有着较好的应用前景，有望成为新一代的经济并且稳定的光解水催化剂。本专利技术制备的2D-TiO2(B)/石墨烯光催化材料化学性质稳定，其在光解水产氢的测试中经过8h的全光测试，其产生氢气总量达到1688μmol。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的2D-TiO2(B)/石墨烯光催化材料表面形貌的TEM图：(a)：TGN/Plasma的TEM图像；(b)：TGN/Plasma的高分辨率TEM图像；(c)：TGN/Plasma的选区电子衍射图像；图2是2D-TiO2(B)/石墨烯光催化材料比表面积测试图；图3是全光条件下2D-TiO2(B)/石墨烯光催化材料的产氢量；图4是2D-TiO2(B)/石墨烯光催化材料XRD图谱。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术方法做进一步的说明。提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本专利技术。实施例1制备2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的方法，其制备步骤如下：步骤一、称量30mg石墨烯(GR)加入至15ml乙二醇(EG)中，超声处理1h后冷却至室温；步骤二、在冰水浴的条件下，将0.5ml液态的TiCl4逐滴滴入至石墨烯-乙二醇混合溶液(GR-EG)中，在超声处理下超声30min后待TiCl4全部水解形成胶状的TiO2(B)-GR前驱体；步骤三、将步骤二制得的TiO2(B)-GR前驱体溶液称取15ml置于烧杯中，然后根据1:30的体积比向溶液中加入去离子水形成TiO2(B)-GR前驱体水溶液并搅拌均匀；步骤四、将步骤三制得的TiO2(B)-GR前驱体水溶液在密闭的反应釜中进行152℃水热反应，水热反应时间为4h，将反应结束后制得的样品用无水酒精以及去离子水交替冲洗3-5次，并在100℃的干燥箱中干燥后得到2D-TiO2(B)/石墨烯复合材料。步骤五、将步骤四制得的复合材料进行氩离子等离子体溅射处理15min后即为2D-TiO2(B)/石墨烯光催化材料。实施例1制备得到2D-TiO2(B)/石墨烯光催化材料，图1示出了该2D-TiO2(B)/石墨烯纳米结构的TEM图。该催化材料具有高的比表面积，超薄的层间厚度以及高的稳定性并能够促进物质传输，因此在光解水产氢催化剂的制备领域有着较好的应用前景。相比于其它晶型的TiO2(B)催化材料，2D-TiO2(B)/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种2D‑TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将石墨烯加入至乙二醇中，得到石墨烯‑乙二醇混合溶液，超声处理后冷却至室温；2)在冰水浴的条件下，将液态的TiCl4逐滴滴入至石墨烯‑乙二醇混合溶液中，超声处理后形成TiO2(B)‑GR胶状前驱体；3)将步骤2)取TiO2(B)‑GR前驱体溶液置于烧杯中，然后向溶液中加入去离子水形成TiO2(B)‑GR前驱体水溶液并搅拌均匀；4)将步骤3)制得的TiO2(B)‑GR前驱体水溶液在密闭的反应釜中进行水热反应，将反应结束后，制得的样品用无水酒精以及去离子水交替冲洗，然后置于干燥箱中干燥得到2D‑TiO2(B)/石墨烯复合材料；5)将步骤4)制得的2D‑TiO2(B)/石墨烯复合材料于氩气气氛中完成等离子体溅射处理，一段时间后得到TGN等离子光催化材料。

【技术特征摘要】
1.一种2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将石墨烯加入至乙二醇中，得到石墨烯-乙二醇混合溶液，超声处理后冷却至室温；2)在冰水浴的条件下，将液态的TiCl4逐滴滴入至石墨烯-乙二醇混合溶液中，超声处理后形成TiO2(B)-GR胶状前驱体；3)将步骤2)取TiO2(B)-GR前驱体溶液置于烧杯中，然后向溶液中加入去离子水形成TiO2(B)-GR前驱体水溶液并搅拌均匀；4)将步骤3)制得的TiO2(B)-GR前驱体水溶液在密闭的反应釜中进行水热反应，将反应结束后，制得的样品用无水酒精以及去离子水交替冲洗，然后置于干燥箱中干燥得到2D-TiO2(B)/石墨烯复合材料；5)将步骤4)制得的2D-TiO2(B)/石墨烯复合材料于氩气气氛中完成等离子体溅射处理，一段时间后得到TGN等离子光催化材料。2.根据权利要求1所述的一种2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中石墨烯在乙二醇中的浓度为1-3mg/ml。3.根据权利要求1所述的一种2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中超声处理时间为30-60min。4.根据权利要求1所述的一种2D-TiO2(B)/石墨烯高效光催化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中TiCl4与石墨烯-乙二醇混合溶液的体积比为0.1:15-1:15。...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱胜利，黄慧明，孔祥辰，崔振铎，杨贤金，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12