一种石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂及其制备方法。本发明专利技术首先以钛酸四正丁酯和硝酸钴分别作为钛源和钴源制备前驱体溶液，以无水乙醇、冰醋酸和和PVP作为助剂，按比例将前驱体和助剂混合均匀得到纺丝液；接着进行高压静电纺丝得到初始PVP/Co‑TiO

A graphene supported Co doped titanium dioxide photocatalyst and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂及其制备方法
本专利技术涉及光催化材料
，尤其涉及一种石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂及其制备方法。
技术介绍
TiO2具有无毒、催化活性高、稳定性好以及抗氧化能力强、成本低等优点，广泛用于降解有机污染物、废水处理等领域。虽然TiO2在光催化技术中有诸多优势，但是也存在禁带宽（3.2eV)、对自然光的利用率低、吸收光阈值高等缺点，因此对二氧化钛纳米材料进行改性成为必然。利用金属元素掺杂是一种很有前景的方法，将金属离子引入到TiO2晶格内部，可以减小TiO2纳米粒径改变晶相结构引起的晶格缺陷，在禁带中引入新的杂质能级，减小禁带宽度，降低光电子跃迁所需能量进而提高TiO2光催化活性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种新型石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂及其制备方法；本专利技术通过静电纺丝法制备光催化剂，制备方法简单；制得的光催化剂具有可在常温常压下进行光催化反应，反应速度快，催化效率高，应用范围广等优点。本专利技术首先以钛酸四正丁酯和硝酸钴分别作为钛源和钴源制备前驱体溶液，以无水乙醇、冰醋酸和和PVP作为助剂，按比例将前驱体和助剂混合均匀得到纺丝液；接着进行高压静电纺丝得到初始PVP/Co-TiO2纤维；然后在马弗炉中煅烧得到Co-TiO2纳米纤维；最后使用真空冷冻干燥法将Co-TiO2纳米纤维负载到石墨烯上，得到石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光Co-TiO2/RGO光催化剂。制得。本专利技术的技术方案具体介绍如下。r>一种石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法，具体步骤如下：（1）前驱体的制备将钛酸四正丁酯、冰醋酸和无水乙醇混合后，按照Co/Ti的摩尔比=0.005~0.02加入硝酸钴，再在室温下搅拌得聚醋酸氧钛前驱体；（2）纺丝液的制备按聚乙烯吡咯烷酮PVP：无水乙醇=1：4~1：6的质量比，量取无水乙醇，边搅拌边加入PVP调节溶液至一定黏度，再继续搅拌0.5~1小时，直至排除气泡，然后向其中加入步骤（1）中所得的聚醋酸氧钛前驱体，搅拌2~4小时，静置，得到均一稳定的橙黄色PVP/Co-TiO2纺丝液；（3）PVP/Co-TiO2复合纤维的制备将步骤（2）中的PVP/Co-TiO2纺丝液灌入注射器内，选择不锈钢针头，将注射器倒置排出管内气泡；然后利用静电纺丝装置进行电纺，将正极连接针头，负极连接铁片板，调节固化距离、电压及设定相关参数，纺丝结束后，在负极铁片板上得到PVP/Co-TiO2复合纤维；（4）Co-TiO2纳米纤维的制备将步骤（3）得到的PVP/Co-TiO2复合纤维置于马弗炉中，在500℃~800℃的温度下煅烧4~5小时，煅烧结束后，自然冷却至室温，取出样品研磨，得到Co-TiO2纳米纤维；（5）Co-TiO2/RGO气凝胶的制备将Co-TiO2纳米纤维加入到石墨烯水凝胶中搅拌均匀后，真空冷冻干燥，得到Co-TiO2/RGO气凝胶，即石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂。本专利技术中，步骤（1）中，钛酸四正丁酯、冰醋酸和乙醇摩尔比为1：1：（1~4）。本专利技术中，步骤（1）中，Co/Ti的摩尔比0.010~0.015。本专利技术中，步骤（2）中，PVP溶液黏度2000~3000mPa·S之间。本专利技术中，步骤（3）中，调节固化距离为10~15cm，电压选择为12~20kV，推进速度为1.2~2mL/h。本专利技术中，步骤（3）中，纺丝时间为3~5小时。本专利技术中，步骤（4）中，煅烧温度为550~650℃。本专利技术中，步骤（5）中，石墨烯水凝胶通过下述步骤制得：1）将氧化石墨烯分散液、乙二胺和硼酸钠混合后，在95~105℃的温度下反应10~20h；2）取出步骤1）得到的样品放入体积比为1：1的乙醇和水的混合溶液中浸泡2~4h，得到洁净的石墨烯凝胶。本专利技术中，步骤（5）中，真空冷冻干燥程序如下：抽真空后降温到-50℃并保温8~10小时，升温到-40℃并保温5~7小时，升温到-30℃并保温5~7小时，升温到-20℃并保温5~7小时，升温到-10℃并保温5~7小时，升温到0℃并保温2~4小时，升温到10℃并保温2~4小时，最后升至常温。本专利技术进一步提供一种上述制备方法制得的石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术制备方法简单、生产成本低，制备的复合光催化剂形貌可控、比表面积高、光学性能优良、绿色环保；光催化剂具有较好的光催化降解有机污染物效果，在模拟太阳光下，掺杂改性的光催化剂对甲苯的降解比普通的光催化剂具有更高的催化降解效果，在VOCs治理领域有应用前景；2.本专利技术采用静电纺丝技术制备Co-TiO2纳米纤维，原料易得，制备过程简便易操作，产品中纳米颗粒分散均匀，能有效的解决纳米颗粒的团聚钝化问题；3.本专利技术利用钴掺杂二氧化钛使电子结构发生改变，从而提高了二氧化钛光吸收性能和可见光的吸收能力；4.本专利技术采用石墨烯作为光催化剂Co-TiO2的载体，使其本身增加了吸附性能和稳定性，从而提高了去污效果；5.本专利技术采用真空冷冻干燥法使Co-TiO2负载到RGO，增加了其比表面积，固定了其内部结构，从而进一步提高了二氧化钛的催化性能；同时催化剂的光生电子空穴对的复合率明显降低，也促进了二氧化钛的光吸收性能的提高。附图说明图1为本专利技术不同煅烧温度和钴掺杂量制备的Co-TiO2/RGO光催化剂降解甲苯效果。图2为本专利技术实施例1提供的Co-TiO2光催化剂高分辨电镜图（SEM）。图3为本专利技术实施例1提供的Co-TiO2/RGO光催化剂高分辨电镜图（SEM）。图4为本专利技术实施例1提供的Co-TiO2/RGO光催化剂扫描电镜中的能谱（EDX）。图5为本专利技术制备的不同钴掺杂比的Co-TiO2光催化剂X射线衍射图（XRD）。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，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步骤一，量取15mL无水乙醇于烧杯，然后分别取15mL冰醋酸和15mL钛酸四正丁酯（0.044mol）边搅拌便加入到乙醇中，再加入0.128g（0.00044mol）硝酸钴，最后室温下经磁力搅拌1h，制得Co-TiO2前驱体溶液；步骤二，纺丝液的制备：称取20g无水乙醇于烧杯中，再称取5g聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mw=1300000），边搅拌边加入PVP，搅拌速度为400rpm速率，搅拌时间为30min，使PVP溶液黏度2000~3000mPa·S；之后进一步磁力搅拌1h至气泡排出，再加入步骤一中所得的Co-TiO2前驱体溶液，搅拌2小时，静置得到均一稳定的橙黄色PVP/Co本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）前驱体的制备/n将钛酸四正丁酯、冰醋酸和无水乙醇混合后，按照Co/Ti的摩尔比=0.005~0.02加入硝酸钴，再在室温下搅拌得聚醋酸氧钛前驱体；/n（2）纺丝液的制备/n按聚乙烯吡咯烷酮PVP：无水乙醇=1：4~1：6的质量比，量取无水乙醇，边搅拌边加入PVP调节溶液至一定黏度，再继续搅拌0.5~1小时，直至排除气泡，然后向其中加入步骤（1）中所得的聚醋酸氧钛前驱体，搅拌2~4小时，静置，得到均一稳定的橙黄色PVP/Co-TiO

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）前驱体的制备
将钛酸四正丁酯、冰醋酸和无水乙醇混合后，按照Co/Ti的摩尔比=0.005~0.02加入硝酸钴，再在室温下搅拌得聚醋酸氧钛前驱体；
（2）纺丝液的制备
按聚乙烯吡咯烷酮PVP：无水乙醇=1：4~1：6的质量比，量取无水乙醇，边搅拌边加入PVP调节溶液至一定黏度，再继续搅拌0.5~1小时，直至排除气泡，然后向其中加入步骤（1）中所得的聚醋酸氧钛前驱体，搅拌2~4小时，静置，得到均一稳定的橙黄色PVP/Co-TiO2纺丝液；
（3）PVP/Co-TiO2复合纤维的制备
将步骤（2）中的PVP/Co-TiO2纺丝液灌入注射器内，选择不锈钢针头，将注射器倒置排出管内气泡；然后利用静电纺丝装置进行电纺，将正极连接针头，负极连接铁片板，调节固化距离、电压及设定相关参数，纺丝结束后，在负极铁片板上得到PVP/Co-TiO2复合纤维；
（4）Co-TiO2纳米纤维的制备
将步骤（3）得到的PVP/Co-TiO2复合纤维置于马弗炉中，在500℃~800℃的温度下煅烧4~5小时，煅烧结束后，自然冷却至室温，取出样品研磨，得到Co-TiO2纳米纤维；
（5）Co-TiO2/RGO气凝胶的制备
将Co-TiO2纳米纤维加入到石墨烯水凝胶中搅拌均匀后，真空冷冻干燥，得到Co-TiO2/RGO气凝胶，即石墨烯负载钴掺杂二氧化钛光催化剂。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，钛酸四正丁酯、冰醋酸和乙醇摩尔比为1：1：（1~4）。...

【专利技术属性】
技术研发人员：高桂兰，张曦冉，
申请(专利权)人：上海第二工业大学，
类型：发明
国别省市：上海;31