一种利用脉冲激光提高钛酸钙光催化活性的办法制造技术

本发明专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种利用脉冲激光提高钛酸钙光催化活性的办法，该方法通过在钛酸钙材料内部引入Ti

【技术实现步骤摘要】
一种利用脉冲激光提高钛酸钙光催化活性的办法


[0001]本专利技术属于光催化材料
，具体涉及一种利用脉冲激光辐照含有氧化石墨烯和钛酸钙的溶液从而提高钛酸钙催化活性的方法。

技术介绍

[0002]我国是水资源大国，据统计，我国的水资源总量约为28124亿立方米，位居世界第六，但人均水资源占有量是2240立方米，世界排名110位。按照国际标准，我国介于轻度缺水和中度缺水之间的水平。随着我国工业的迅速发展，工业用水量和废水排放量与我国的废水处理水平呈现反比，导致不少地表水和地下水严重污染，使得本已有限的水资源日益匮乏。
[0003]工业染料产生的废水是现在水体污染的主要原因之一。在染料的生产和染料的使用过程中，向天然水中大量排放的工业染料改变了水的组分，使水量和水质发生了巨大的变化。染料废水具有高含盐量、高色度、成分复杂、可生化性差等特点，对生产和环境造成危害，同时威胁到人类的身体健康。
[0004]因此，高效快捷地处理染料废水成为了一个迫在眉睫地问题。近年来，常用的降解方法包括超声波降解法、高温深度氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法等，其中光催化氧化法以其反应条件温和、安全无害等特点备受关注。光催化剂主要是以半导体氧化物为主，当一定波长的光照射到半导体表面时，光催化剂半导体中的价带电子就会被激发到导带，从而产生出具有较强氧化还原能力的电子
‑
空穴对。产生的电子
‑
空穴对可以将水体中的有机污染物氧化，达到清除有机污染物的目的。
[0005]钛酸钙因其优益的催化性能和结构的特殊性，已经成为光催化领域研究的热点材料之一。此外，通过掺杂(如金属掺杂、非金属掺杂等)可以有效调节钛酸钙的禁带宽度以提高光催化活性。但是常见的掺杂会引入杂质离子，而杂质离子会提高光生电子
‑
空穴对的复合率，从而降低材料的光催化性能。此外，杂质离子还会降低材料的均一性和稳定性。
[0006]目前，常用于半导体材料内部缺陷自掺杂的方法主要有电弧熔融法、一步燃烧法、化学还原法、高能轰击法(如等离子体或电子束)等。这些自掺杂方法通常在高温、高压下进行，此外往往需要用到一些爆炸性的还原剂因此具有一定的危险性。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种利用脉冲激光提高钛酸钙光催化活性的办法，该方法通过在钛酸钙材料内部引入Ti
3+
形成缺陷自掺杂并加入氧化石墨烯以进一步提高吸光强度和电子传输能力，从而获得Ti
3+
自掺杂型钛酸钙/氧化石墨烯复合光催化剂。
[0008]本专利技术是通过如下技术方案实现的：
[0009]一种利用脉冲激光提高钛酸钙光催化活性的办法，包括下列步骤：
[0010](1)将氧化石墨烯和钛酸钙按质量比例1∶9分别放入烧杯A和烧杯B中，在烧杯A和B
中分别加入去离子水，去离子水和氧化石墨烯的体积比为10∶1，去离子水和钛酸钙的体积比为10∶1，然后均超声处理10～30min。
[0011](2)将烧杯A中超声分散的氧化石墨烯溶液倒入到烧杯B中，将磁力搅拌器速度设置为500～1000rpm，搅拌10～30min后，获得前驱体溶液。
[0012](3)设置激光辐照参数：初始扫描速度为v0，最大的扫描速度为v
max
，速度增幅为Δv，其单位均为mm/s，固定激光波长、激光能量、光斑尺寸、光斑搭接率以及扫描区域位置和尺寸；为了避免辐照过程中过高的激光能量而产生碳化，要求v0≥10mm/s，但是最大扫描速度v
max
应不大于200mm/s以确保前驱体有足够的时间吸收激光能量。
[0013](4)令x＝0(x取自然数)，设激光扫描速度v
x
＝v0+Δv*x。
[0014](5)激光辐照步骤(2)中前驱体溶液，然后将处理后的溶液在80～100℃温度下干燥10～12h，制得钛酸钙和氧化石墨烯复合光催化剂样品。
[0015](6)通过XPS和SEM表征可以确定Ti
3+
的形成、钛酸钙与氧化石墨烯的复合情况。取步骤(5)中获得的样品20～30mg用双面胶带直接把粉末固定在样品台上进行XPS表征，观察Ti 2p两个特征峰的结合能之差ΔE，Ti
4+
的特征峰ΔE为5.7eV，当Ti
3+
产生时ΔE＞5.7eV，且可通过分峰拟合得到Ti
3+
的相对含量；取步骤(5)中的样品10～20mg超声分散在无水乙醇中形成均匀的悬浊液，之后取2～10mL滴定在铜网上，在40～80℃下干燥20～30min后，在表面喷金制样以进行SEM表征，用于观察是否有氧化石墨烯在钛酸钙表面发生复合。
[0016](7)如果表征后发现ΔE＝5.7eV或SEM中在钛酸钙表面观察不到氧化石墨烯则样品废弃，否则样品保留。
[0017](8)将步骤(7)中获得的样品应用于降解甲基橙实验以研究其光催化活性。为了获得甲基橙浓度的标准曲线，先配置浓度为1g/L的甲基橙溶液，之后通过加入去离子水获得浓度分别为1mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L和30mg/L的甲基橙溶液。
[0018](9)使用紫外
‑
可见分光光度计测定步骤(8)中不同浓度甲基橙溶液的吸光度，测试波长选在200nm～720nm范围内。由于甲基橙溶液的吸收峰在465nm处，所以取此处的吸光度及其对应浓度进行标准曲线的绘制，取x轴为浓度，y轴为吸光度。
[0019](10)取步骤(7)中的钛酸钙和氧化石墨烯复合光催化剂样品80～100mg，投加到装有80～100mL的浓度为1mg/L甲基橙溶液的烧杯中。将烧杯放置于磁力搅拌器上，然后放入遮光盒中，遮光盒内装有10～15w的波长为254nm的紫外灯，距离液面距离为8～10cm。
[0020](11)在不开紫外灯的情况下，打开磁力搅拌器，设置搅拌速度为500～600rpm，反应30min，以达到吸附平衡。
[0021](12)完成步骤(11)后，保持磁力搅拌器继续搅拌，打开紫外灯，每次间隔Δtmin(2≤Δt≤10)取样一次，一次取样3～5ml，在有光条件下继续反应60～90min。
[0022](13)将步骤(12)中的(60/Δt)份取样溶液使用孔径为0.22～0.30um的过滤膜进行过滤以去除钛酸钙和氧化石墨烯复合光催化剂。
[0023](14)将步骤(13)中过滤后的取样溶液，使用紫外
‑
可见分光光度计进行表征，仪器的波长选在200nm～720nm范围内，记录465nm处各取样溶液的吸光度。
[0024](15)根据步骤(9)中获得的标准曲线，得到步骤(14)中各取样溶液吸光度对应的浓度。根据公式计算光催化剂的动力学常数K
x
，其中C0是初始浓度，C
Δt
是
Δt时刻的溶液浓度，K
x
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用脉冲激光提高钛酸钙光催化活性的办法，其特征在于，包括下列步骤：(1)将氧化石墨烯和钛酸钙按质量比例1∶9分别放入容器A和容器B中，在容器A和B中分别加入去离子水，去离子水和氧化石墨烯的体积比为10∶1，去离子水和钛酸钙的体积比为10∶1，然后均超声处理10～30min；(2)将容器A中超声分散的氧化石墨烯溶液倒入到容器B中，将磁力搅拌器速度设置为500～1000rpm，搅拌10～30min后，获得前驱体溶液；(3)设置激光辐照参数：初始扫描速度为v0，最大的扫描速度为v
max
，速度增幅为Δv，固定激光波长、激光能量、光斑尺寸、光斑搭接率以及扫描区域位置和尺寸；要求v0≥10mm/s，最大扫描速度v
max
不大于200mm/s以确保前驱体有足够的时间吸收激光能量；(4)令x＝0，设激光扫描速度v
x
＝v1+Δv*x；(5)激光辐照步骤(2)中获得的前驱体溶液，然后将处理后的前驱体溶液在80～100℃温度下干燥10～12h，制得钛酸钙和氧化石墨烯复合光催化剂样品；(6)取步骤(5)中获得的样品20～30mg，将粉末固定在样品台上进行XPS表征，观察Ti 2p两个特征峰的结合能之差ΔE，Ti
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的特征峰ΔE为5.7eV，当Ti
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产生时ΔE＞5.7eV，且通过分峰拟合得到Ti
3+
的相对含量；取步骤(5)中的样品10～20mg，超声分散在无水乙醇中形成均匀的悬浊液，之后取2～10mL滴定在铜网上，在40～80℃下干燥20～30min后，在表面喷金制样以进行SEM表征，用于观察是否有氧化石墨烯在钛酸钙表面发生复合；(7)如果表征后发现ΔE＝5.7eV或SEM表征中在钛酸钙表面观察不到氧化石墨烯则样品废弃，否则样品保留；(8)将步骤(7)中保留的样品应用于降解甲基橙实验以研究其光催化活性；为了获得甲基橙浓度的标准曲线，先配置浓度为1g/L的甲基橙溶液，之后通过加入去离子水获得浓度分别为1mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L和30mg/L的甲基橙溶液；(9)使用紫外
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘文文，罗佩锴，朱德华，曹宇，张健，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：