TiO石墨烯复合材料的制备及其光催化性能课件.ppt

TiO2 石墨烯复合材料的制备及其光催化性能 王昭 毛峰 黄祥平等材料科学与工程学报201129卷第2期267 273页 1 内容 五 结论 四 结果分析与讨论 三 实验部分 二 引言 一 摘要 2 一 摘要 本文以氧化石墨烯和钛酸丁酯为原料 利用水热法一步制备了TiO2 石墨烯复合光催化材料 研究了氧化石墨烯用量 反应温度 反应时间对TiO2 石墨烯复合材料光催化活性的影响 采用XRD SEM TEM和氮气吸附 脱附实验 BET 对复合光催化材料的物相 颗粒粒径 形貌及比表面积进行了表征 结果表明 本实验最佳条件是 氧化石墨烯1mg 制备温度为180 反应时间为16h 产物中的TiO2为锐钛矿晶型 其平均粒径约为18nm 复合材料的比表面积为170m2 g 平均孔径为12 45nm 在可见光照射 K 420nm 下以TiO2 石墨烯为光催化剂对有机染料罗丹明B RhodamineB RhB 进行光催化降解 其光催化活性明显高于相同条件下制备的TiO2 3 二 引言 TiO2在光催化 太阳能电池及生物材料等领域有着广泛的应用前景 其中以纳米TiO2为催化剂降解有毒有机污染物受到了普遍关注 纳米TiO2在具体的应用时存在回收困难和可见光利用率低等比较突出的问题 探索制备易于过滤回收 且在可见光下光催化活性良好的TiO2复合材料具有重要的研究意义 4 石墨烯是2004年发现的二维碳纳米低维材料 其电学性质比碳纳米管更为优异 将其用来代替碳纳米管来修饰一些材料有可能取得更好的效果 本文采用水热法 直接以氧化石墨烯和钛源试剂为原材料 一步制备出了TiO2 石墨烯复合材料 该材料的尺度达微米量级 不仅有利于回收 而且在可见光下也具有较好的光催化活性 5 三 实验部分 1 材料的制备石墨提纯实验 称取13g石墨 加入20ml30wt 的NaOH中 搅拌均匀后 在450 下熔融反应1h 然后自然冷却 洗至中性 再将石墨加入到16ml浓HCl中浸泡1h 然后洗涤过滤至中性 在干燥箱中200 下脱水烘干 6 氧化石墨烯 GO 的制备10g提纯石墨和7 5g硝酸钠加入1000ml烧杯中 加入621g浓硫酸 混合物置于冰水浴中 不断搅拌 随后再逐渐加入45g高锰酸钾 整个冰水浴冷却过程持续2h 冷却结束后 在20 下继续温和搅拌混合物5天 得到高黏稠液体 高黏稠液体在搅拌的条件下加入到5wt 1000mLH2SO4中 搅拌2h后 再向溶液中加入30g30wt H2O2 继续搅拌2h 用二次去离子水洗涤过滤 然后加入到二次去离子水和无水乙醇的混合溶液中超声1h 静置24h后将沉淀去除 得到氧化石墨烯水溶液 7 石墨烯 GR 的制备取100ml氧化石墨烯水溶液 向其中加入1ml水合肼 然后在90 下水浴回流24h 最后用二次去离子水洗涤过滤 在60 下烘干 得到最终样品 8 TiO2 石墨烯复合材料 TiO2 GR 的制备在50ml的烧杯中加入1ml的钛酸丁酯 40ml的无水乙醇和GO 1mg ml 搅拌均匀后转入50ml的内衬聚四氟乙烯不锈钢高压釜中 然后在干燥箱中恒温加热 加热完毕后自然冷却 分别用二次去离子水 无水乙醇将所得产物进行过滤 然后在60 干燥箱中烘干 最后放入马弗炉中400 煅烧1h 其中为了避免升温过快产生无定形碳 180 220 的升温速率为0 2 min 9 2 光催化降解RhB取1 0 10 5mol L的RhB作为目标降解物 光催化降解RhB在自制光催化仪中进行 光催化测试时 取30mg催化剂加入到50ml1 0 10 5mol LRhB中 调节pH 3 0 混合均匀后转入玻璃瓶中 在黑暗的环境中暗反应30min后做光催化测试 可见光灯为碘钨灯 500W K 420nm 10 四 结果分析与讨论 1石墨烯的形貌和结构分析图 1a 为石墨烯的SEM图像 从图中可以看出 该石墨烯的尺寸达微米量级 其XRD图谱在26 附近出现了 002 晶面衍射峰 图 1b 其为典型的石墨烯结构 这说明在还原过程中 随着氧化石墨烯上官能团的减少 出现了石墨化现象 11 2 氧化石墨烯用量对复合材料光催化性能的影响 PC2催化活性最好 12 3 反应温度对复合材料光催化性能的影响 180 时效果最好 13 4 反应时间对复合材料光催化性能的影响 最佳反应时间为16h 14 5 TiO2 GR复合材料的光催化活性 a 样品的TEM照片 b XRD图谱 15 5a PC13的紫外可见光吸收谱纯TiO2引入石墨烯后在200 350nm紫外区域响应变弱 而在400 700nm可见光波段响应变强 这可能是由PC13中的石墨烯和TiO2间产生的协同效应造成的 该现象表明TiO2 GR在可见光下可能具有较好的光催化性质 16 6b 氮气吸附 脱附等温曲线 插图为孔径分布曲线 曲线为 型吸附 脱附等温曲线 迟滞回线类型为H1型 说明PC13为介孔材料 其孔径分布相对较窄 为尺寸较均匀的球形颗粒聚集体 插图表明PC8孔径大小为9 56nm 孔体积为0 5293cm3 g 平均孔径大小为12 45nm 而比表面积达170m2 g TiO2的比表面积通常不超过120m2 g 17 7a PC13和纯TiO2降解RhB240min时体系的脱色率已达到90 其零级降解动力学方程为 c 0 00452t 1 10974 线性相关系数R 0 9993 18 7b PC13降解RhB的UV vis谱图随着可见光反应时间的延长 RhB最大吸收波长554nm的吸光度值逐渐降低 并伴随着一定的蓝移 554nm 500nm 这说明在可见光下 降解反应发生的同时也有着脱乙基反应 19 20 PC13具有较好的可见光催化活性的可能原因 1 PC13由于协同效应在400 700nm可见光波段具有较好的响应 在可见光下能够产生更多的光生电子和空穴 2 PC13具有较大的比表面积 能够提供更多的反应活性点 能够更好地吸附RhB染料 提高降解效率 3 纯TiO2引入的石墨烯能够有效地分离光生电子 空穴对 从而提高光生电子和空穴的利用率 21 五 结论 本文首先制备出了氧化石墨烯 然后采用水热法一步制备出TiO2 石墨烯复合材料 通过实验考察了氧化石墨烯用量 反应温度和反应时间对复合材料光催化性能的影响 最后确定了最佳的制备工艺参数 它们是 氧化石墨烯1mg 制备温度为180 反应时间为16h 光催化实验表明 引入石墨烯后有利于增强Ti