RGO与稀土掺杂二氧化钛复合的纳米光催化复合材料及制备方法与空气净化应用技术

本发明专利技术公开RGO与稀土掺杂二氧化钛复合的纳米光催化复合材料及制备方法与空气净化应用。所述纳米光催化复合材料包括RGO以及原位生成的稀土离子掺杂的TiO2纳米颗粒，所述纳米颗粒均匀分布在RGO片的两侧；其中，TiO2与稀土离子的摩尔比为1：（0.0005~0.30），优选为1：（0.005~0.02）；稀土离子掺杂的TiO2纳米颗粒与RGO的质量比为1：（0.0005~0.4），优选为1：（0.002~0.02）。结果证实本发明专利技术的RGO与稀土掺杂TiO2复合的纳米光催化复合材料（RGO/ET）能够高效稳定地去除低浓度且流动的气相VOCs，从而达到有效净化空气的作用。而达到有效净化空气的作用。而达到有效净化空气的作用。

【技术实现步骤摘要】
RGO与稀土掺杂二氧化钛复合的纳米光催化复合材料及制备方法与空气净化应用


[0001]本专利技术涉及一种RGO与稀土掺杂二氧化钛复合的纳米光催化复合材料及制备方法与应用，具体地说，涉及一种RGO与稀土离子掺杂TiO2复合的纳米光催化剂及制备方法与其在降解挥发性有机物(VOCs)中的应用，属于环境光催化处理


技术介绍

[0002]近年来大气污染问题日益突出，对人类生存环境和生活健康产生严重威胁。其中，低沸点有机污染物，如挥发性有机化合物(VOCs；醛类、酮类和芳香族)在室内和室外环境中的浓度不断增加。这些挥发性有机化合物来源于多种自然过程和工业操作，例如，工业生产中释放的邻二甲苯及其衍生物、塑料和涂料产品的挥发、电子废弃物的拆解、有机溶剂和化学涂料的生产等。人类接触这些挥发性有机物会导致严重的健康问题，如恶心、呼吸系统问题、头晕、肝损伤和癌症。此外，挥发性有机物的积聚会导致城市烟雾的形成和对流层臭氧层损耗，从而带来严重的环境问题。因此，如何有效去除大气环境中较低浓度的VOCs对人类健康和环境安全具有极为重要研究意义。
[0003]在现有VOCs处理技术中，臭氧技术特点是有毒和不稳定，热催化技术需在高温条件下进行反应，物理吸附技术不能有效去除VOCs，所以这些技术的不足之处限制了它们在VOCs去除中的应用。近年来，光催化氧化(PCO)技术因在环境条件下运行的优势，被广泛应用于污染控制。此外，在PCO技术中使用的TiO2半导体材料具有价格低廉、氧化性高和无毒等优异特点使其得到了广泛研究，并已成功应用于水体污染物和固定相气体污染物的降解。其中，TiO2对几种VOCs的光降解研究表明，这些有机污染物在光照下可以被氧化成CO2和水。然而，TiO2只能吸收紫外区域的光(占太阳光谱不到5％)、对VOCs的吸附能力较差、拥有较高的光生载流子复合率等不足进一步限制了TiO2的实际应用。再者，与液相污染物降解相比，大气环境中挥发性气相污染物具有浓度较低、流动较快、与催化剂接触时间较短等特点。因此，如何提升TiO2的光催化特性以及高效去除VOCs污染物，具有重要的研究与应用价值。
[0004]稀土元素具有特殊的4f电子结构，将其用于TiO2的改性，可促进光生电荷的分离，提升催化剂的光催化性能。另一方面，稀土元素具有上转换发光特性，可以拓展TiO2吸光区，增加光能利用率，从而进一步提升光催化活性。此外，还原氧化石墨烯(Reduced graphene，RGO)作为一种新型的碳纳米材料，由氧化石墨烯还原制得。还原氧化石墨烯具有电子迁移率高、结构灵活、理论比表面积大等优点，将其与TiO2复合，可以提升对芳香族VOCs的吸附能力以及促进光生电荷分离。因此，如何利用RGO与稀土掺杂TiO2复合的光催化复合材料，提升其对气态VOCs的吸附性能，实现对VOCs的高效降解，在光催化净化空气方面具有重要的应用价值与研究意义。

技术实现思路

[0005]面对上述存有的问题，本专利技术的目的在于提供一种RGO与稀土掺杂TiO2复合的纳米光催化复合材料(RGO/ET)及其制备方法与应用。结果证实本专利技术的RGO与稀土掺杂TiO2复合的纳米光催化复合材料(RGO/ET)能够高效稳定地去除低浓度且流动的气相VOCs，从而达到有效净化空气的作用，在雾霾前驱体的去除、工业上及室内有机气相污染物降解方面有着广阔的应用前景。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种RGO与稀土掺杂TiO2复合的纳米光催化复合材料(RGO/ET)。所述纳米光催化复合材料包括RGO以及原位生成的稀土离子掺杂的TiO2纳米颗粒，所述纳米颗粒均匀分布在RGO片的两侧。
[0007]TiO2与稀土离子的摩尔比为1：(0.0005～0.30)，优选为1：(0.005～0.02)。稀土元素用量过高，会导致大部分稀土元素无法进入二氧化钛晶格内，从而在氧化钛中形成较多的金属氧化物，覆盖了催化剂表面的本征活性位点，不利于光催化性能的提升。
[0008]稀土离子掺杂的TiO2纳米颗粒与RGO的质量比为1：(0.0005～0.4)，优选为1：(0.002～0.02)。本专利技术的催化剂主体是稀土改性的二氧化钛，石墨烯的用量过多不仅减少了主体催化剂的活性位点，而且会产生光屏蔽效应和覆盖催化剂表面的活性位点，最终导致催化活性大大降低。
[0009]本专利技术将RGO与稀土掺杂的TiO2光催化材料复合，成功合成了具有高比表面积以及高催化活性的RGO与稀土掺杂TiO2复合的纳米光催化复合材料(RGO/ET)。一方面，稀土掺杂TiO2纳米颗粒尺寸的减小以及RGO提供的大比表面积在很大程度上促进了材料对VOCs的吸附能力，有效地增加了VOCs分子在催化剂表面的局部含量；另一方面，RGO因具良好的电子迁移率，可促进TiO2中的光生电子导出，有效抑制了光生载流子的复合。另一方面，稀土元素的4f特殊电子结构促进TiO2中的光生电子导流，使TiO2中产生的光生电子能有效迁移到稀土元素的特殊4f轨道上，从而进一步迁移到RGO上，此行为减小了光生电子在RGO与TiO2之间的转移能垒，进而提升光生电子空穴对的分离效率，使此复合材料在光照条件下能够生成更多的反应活性自由基(
·
OH和
·
O
2-)，从而达到高效降解VOCs的目的；上述这些特征共同提升了TiO2纳米光催化材料的光催化性能。
[0010]较佳地，稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu中的至少一种。优选地，所述稀土离子为Er
3+
、Tm
3+
、Yb
3+
和Ho
3+
中的一种。Er
3+
、Tm
3+
、Yb
3+
和Ho
3+
稀土元素的能级与二氧化钛的能级匹配度较高，光照体条件下有利于产生上转换特性，从而增加对光能的利用，同时也有利于光生电子在二氧化钛与RE-4f能级之间的转移，从而进一步促进光生电荷的分离，增强光催化性能。
[0011]较佳地，所述稀土离子掺杂的TiO2纳米颗粒的粒径为1.2～80nm，优选2.5～50nm。
[0012]较佳地，所述RGO片的厚度为1～10nm，优选2～5nm。
[0013]第二方面，本专利技术提供上述RGO与稀土元素掺杂TiO2复合的纳米光催化复合材料(RGO/ET)的制备方法，包括以下步骤：S1：将钛源分散于醇溶剂中，得到混合溶液；S2：将稀土源和酸溶剂加入到步骤S1所得混合溶液中，在环境温度下搅拌得到溶胶；S3：将溶胶在空气中陈化得到凝胶，并将凝胶煅烧、研磨，得到稀土掺杂TiO2纳米粉体；S4：将稀土掺杂TiO2纳米粉体分散于醇/水混合溶剂后加入石墨烯，得到悬浮液；
S5：将pH调节剂加入悬浮液后在环境温度下搅拌并洗涤得到复合纳米粉体；S6：将复合纳米粉体煅烧得到RGO与稀土掺杂TiO2复合的纳米光催化复合材料。
[0014]本专利技术的制备方法通过两步法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RGO与稀土掺杂TiO2复合的纳米光催化复合材料，其特征在于，所述纳米光催化复合材料包括RGO以及原位生成的稀土离子掺杂的TiO2纳米颗粒，所述纳米颗粒均匀分布在RGO片的两侧；其中，TiO2与稀土离子的摩尔比为1：（0.0005~0.30），优选为1：（0.005~0.02）；稀土离子掺杂的TiO2纳米颗粒与RGO的质量比为1：（0.0005~0.4），优选为1：（0.002~0.02）。2.根据权利要求1所述的纳米光催化复合材料，其特征在于，稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的纳米光催化复合材料，其特征在于，所述稀土离子掺杂的TiO2纳米颗粒的粒径为1.2~80 nm，优选2.5~50 nm；所述RGO片的厚度为1~10 nm，优选2~5 nm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的RGO与稀土掺杂TiO2复合的纳米光催化复合材料的制备方法，其特征在于，包括：S1：将钛源分散于醇溶剂中，得到混合溶液；S2：将稀土源和酸溶剂加入到步骤S1所得混合溶液中，在环境温度下搅拌至得到溶胶；S3：将溶胶在空气中陈化得到凝胶，并将凝胶煅烧、研磨，得到稀土掺杂TiO2纳米粉体；S4：将稀土掺杂TiO2纳米粉体分散于醇/水混合溶剂后加入石墨烯，得到悬浮液；S5：将pH调节剂加入悬浮液后在环境温度下搅拌并洗涤得到复合纳米粉体；S6：将复合纳米粉体煅烧得到RGO与稀土掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙静，饶泽鹏，谢晓峰，王焱，陆冠宏，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：