一种石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶的制备方法：1）利用热剥离法对石墨相氮化碳（g

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于气凝胶
，具体涉及一种石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]石墨相氮化碳（g
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C3N4）因具有独特的半导体能带结构（带隙为2.7eV）和优异的化学稳定性，在光降解有机污染物等方面显示出优异的应用前景。但通过热聚合方式所制备出的g
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C3N4存在比表面积小，光生载流子复合率高，粉体光催化剂难以回收等问题。通过构建g
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C3N4基气凝胶一方面可以提高材料的比表面积，增强光生载流子的分离能力，从而提高对污染物的去除能力；另一方面可以克服粉体光催化剂难以回收造成的二次污染问题。
[0003]申请公布号为CN108097310A的中国专利技术专利申请公开了一种g
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C3N4气凝胶的制备方法，其首先将g
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C3N4与琼脂粉超声混合均匀，再将混合液进行水浴反应和冷冻干燥，即可以得到g
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C3N4/琼脂气凝胶。该方法制得的g
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C3N4气凝胶虽然具有三维结构，但所制气凝胶对以亚甲基蓝为代表的污染物去除性能有限。Pan等人以硼砂为交联剂，将g
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C3N4/BiOBr负载在rGO和壳聚糖(CS)基体上，构建了g
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C3N4/BiOBr@CS/rGO复合气凝胶，该方法制备的氮化碳气凝胶180 min才可去除94.6 %的罗丹明B，对有机污染物的去除性能有限。
[0004]基于此，亟待开发和研究新的对污染物去除能力较强、且容易回收不会造成二次污染的光催化剂。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于克服现有技术缺陷，提供一种易回收、稳定性好的石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶，其是一种由石墨相氮化碳、石墨烯双纳米片与二氧化钛复合构建的三维气凝胶，解决了现有石墨相氮化碳基粉体材料难以回收、易造成二次污染的问题。
[0006]本专利技术第二个目的在于提供上述石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶的制备方法及其应用，以解决现有石墨相氮化碳基气凝胶对污染物去除能力差的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶的制备方法，其包括以下步骤：1）热剥离：利用热剥离法对g
‑
C3N4进行剥离，得到g
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C3N4纳米片；2）水热反应和二次热处理：在无水乙醇存在条件下，将g
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C3N4纳米片和钛酸四丁酯、氢氟酸混合均匀，然后置于反应釜中于170
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190℃水热反应18
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24 h，将水热反应得到的粉体洗涤后于430
‑
470℃二次热处理2
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2.5 h，得到二氧化钛/石墨相氮化碳（TiO2/g
‑
C3N4）复合粉体；3）水热反应和冷冻干燥：在蒸馏水存在条件下，将二氧化钛/石墨相氮化碳复合粉体、氧化石墨烯、抗坏血酸和聚乙二醇混合均匀，然后置于反应釜中于100
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140℃水热反应
16
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24h，将水热反应得到的水凝胶洗涤、冷冻干燥后，即得石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶。
[0008]进一步的，为了获得较好的技术效果，步骤2）中，可以先将g
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C3N4纳米片分散于无水乙醇中获得g
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C3N4纳米片悬浮液。再将钛酸四丁酯、氢氟酸与适量无水乙醇混匀，然后加入g
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C3N4纳米片悬浮液，混匀后进行水热反应。步骤3）中，可以先将氧化石墨烯分散于蒸馏水中，制得均一、稳定的氧化石墨烯悬浮液，然后再加入二氧化钛/石墨相氮化碳复合粉体、抗坏血酸和聚乙二醇，混匀，再进行水热反应。
[0009]具体的，步骤1）中，热剥离温度为480
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520℃，热剥离时间为1
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2h。热剥离的作用在于利用热作用力和热分解产生的氨气等将堆叠严重的g
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C3N4剥离为纳米片。热剥离温度过低或热剥离时间过短时，得到的g
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C3N4片太厚；热剥离温度过高或热剥离时间过长时，所制的g
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C3N4产率过低。从原料成本及产率方面考虑，g
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C3N4由三聚氰胺热缩聚而成。
[0010]步骤2）的水热反应和二次热处理中，钛酸四丁酯在g
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C3N4纳米片上原位水解生成锐钛矿相二氧化钛（TiO2），因而二者可结合的更好，可在原位形成TiO2/g
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C3N4异质结，光生载流子分离能力增强，光催化活性增强。具体的，步骤2）中，钛酸四丁酯以转化所得的TiO2计，g
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C3N4纳米片与TiO2的质量比为(1
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4):1。质量比过高或过低都会导致光催化性能的下降。进一步的，每1mL钛酸四丁酯的用量，需要氢氟酸添加量为120
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140 μL。氢氟酸选用普通市售的、溶质质量分数40%的氢氟酸。
[0011]具体的，步骤3）中，TiO2/g
‑
C3N4复合粉体与氧化石墨烯的质量比为(1
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4):1。质量比过高时，气凝胶的吸附性能下降；质量比过低时，光催化性能下降。氧化石墨烯可以直接采用现有常规技术如Hummer法制备获得。
[0012]步骤3）的水热反应和冷冻干燥中，抗坏血酸作为还原剂。进一步的，步骤3）中，抗坏血酸与氧化石墨烯的质量比为(1
‑
2):1。聚乙二醇与氧化石墨烯的质量比为(1
‑
2):1。冷冻干燥步骤中冷冻温度可选为
‑
70 ℃，时间选为48 h。
[0013]本专利技术提供了采用上述制备方法制备所得的石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶。
[0014]本专利技术还提供了上述石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶作为光催化剂在降解有机污染物中的应用。进一步的，所述有机污染物可以为罗丹明B、亚甲基蓝等。
[0015]本专利技术石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶的制备方法，综合利用热剥离、水热反应、二次热处理和冷冻干燥等处理方法制备获得，所得产物为由氮化碳纳米片、二氧化钛和石墨烯组成的气凝胶结构，为三维多孔结构，这种结构增加了材料的比表面积、提高了光生载流子的分离能力、表现出更高的光催化活性；回收方便，并表现出优异的循环稳定性。
[0016]和现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1）本专利技术石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶是一种由石墨相氮化碳纳米片、二氧化钛和石墨烯构成的三维气凝胶结构，这种结构增加了材料的比表面积、提高了光生载流子的分离能力、表现出更高的光催化活性；回收方便；同时这种结构克服了粉体光催化剂难以回收的缺点，又改善了材料的吸附...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）利用热剥离法对石墨相氮化碳（g
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C3N4）进行剥离，得到g
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C3N4纳米片；2）在无水乙醇存在条件下，将g
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C3N4纳米片和钛酸四丁酯、氢氟酸混合均匀，然后置于反应釜中于170
‑
190℃水热反应18
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24 h，将水热反应得到的粉体洗涤后于430
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470℃二次热处理2
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2.5 h，得到二氧化钛/石墨相氮化碳复合粉体；3）在蒸馏水存在条件下，将二氧化钛/石墨相氮化碳复合粉体与氧化石墨烯混合均匀后，加入抗坏血酸和聚乙二醇，然后置于反应釜中于100
‑
140℃水热反应16
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24h，将水热反应得到的水凝胶洗涤、冷冻干燥后，即得。2.如权利要求1所述石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1）中，热剥离温度为480
‑
520℃，热剥离时间为1
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2h。3.如权利要求1所述石墨烯/二氧化钛/石墨相氮化碳复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2）中，钛酸四丁酯以其转化...

【专利技术属性】
技术研发人员：许红亮，牛勇强，李明亮，邵刚，刘雯，宋博，朱锦鹏，王海亮，范冰冰，王海龙，卢红霞，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：