CN102872889B - 一种石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料及其制备方法，属于光催化技术、生物抗菌和水污染治理领域。步骤如下：将氧化石墨烯在水中超声处理得到氧化石墨烯分散液；将硝酸银溶于去离子水中，在搅拌的条件下加入到氧化石墨烯分散液中，搅拌得到混合溶液A；P25超声分散于去离子水中配置成分散液后，在磁力搅拌条件下将P25分散液滴加到混合溶液A中，搅拌得到混合前驱体溶液B；将磷酸盐溶液滴加到混合前驱体溶液B中继续搅拌，转入水热反应釜中反应，冷却至室温，产物离心后洗涤真空干燥，得到所述复合材料。本发明所制备出的复合材料不仅能在可见光照射下快速降解一定浓度的有机污染物，对于多种细菌也具有广谱高效的杀菌活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料及其制备方法，特别是指一种水热法制备石墨烯/磷酸银/二氧化钛复合材料的方法，属于复合材料、光催化技术、生物抗菌和水污染治理领域。
背景技术
随着工业化进程加快，水资源问题日益严重，水环境污染已经严重影响了人们的生活质量，对我国可持续发展战略的实施也造成了较大的影响，近年来，利用光催化技术消除和降解污染物是当前水环境治理中最活跃的研究领域之一，越来越多的光催化材料被应用于环保、水质处理、有机物降解、消毒抗菌等领域，使得可见光光催化材料得到了越来越多的关注。
众所周知，二氧化钛作为应用最广的单一半导体催化剂已经被各国科学家广泛研究，但是，二氧化钛光吸收范围较窄（仅限于紫外光区）、量子效率较低的特点，使其光催化活性受到限制。Guo 等研究［Nat Mater , 2010 , 9 , 559-564］指出，在可见光激发下，Ag3O4由于具有分散的能带结构，降低了光生载流子的复合速率，提高了量子效率，使其禁带宽度变窄，从而具有优异的光催化活性，而且，Ag3PO4具有很好的光学性能以及电子复合中心少的特点，在400nm以上的可见光辐照下，对有机污染物具有很高的催化降解活性，另外，这类新型光催化材料不仅具有很高的紫外和可见光催化降解有机物的能力，并且由于Ag3PO4中纳米银的存在，使之本身还表现出较强的抗菌消毒作用。
石墨烯是碳材料的有一种同素异形体，是一种良好的载体材料，在其上面负载纳米颗粒可以得到很好的分散性，众所周知，二氧化钛的光催化活性，在很大程度上还受其颗粒尺寸与比表面积影响，粒径在纳米尺度的范围内的二氧化钛，其催化活性会有明显提高。在石墨烯表面合成的二氧化钛可以有效防止纳米粒子团聚，有利于提高二氧化钛对有机污染物的光降解效率，更为重要的是，石墨烯还是一种电子受体材料，将石墨烯与二氧化钛复合，在两种材料的界面，二氧化钛导带上的光激发电子会转移到石墨烯的能带上，从而大大降低了电子-空穴对的复合率，是二氧化钛具有更高的催化活性。由于能带的调整，石墨烯还能发挥光敏剂的作用，是二氧化钛的光吸收范围扩大到可见光区，有效提高了对太阳能的利用率。
尽管石墨烯与二氧化钛复合所制备的复合光催化剂已经表现出了优异的性能，受到了研究者的广泛关注，为了进一步提高石墨烯基复合材料的光催化性能，并充分发挥其他性能，我们可以结合相关材料的特性，利用纳米复合材料制备技术和不同材料功能之间的协同效应，制备同时具有优异光催化性能和高效抗菌杀菌活性的双功能复合材料，目前采用比表面积大、溶解分散性好的氧化石墨烯作为前驱体，硝酸银、磷酸盐和P25为原料，水热法原位制备石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料，并将其应用于光催化降解和抗菌杀菌领域未见报道。
发明内容
本发明的目的在于发展一种工艺路线简单、绿色环保、成本低廉的制备石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料的水热制备技术，其特征在于：所获得的的材料具有较好的形貌结构、优异的光催化性能和高效的抗菌杀菌活性。
实现本发明所采用的技术方案为：一种石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料，其具体制备方法步骤如下：
(1) 氧化石墨烯溶于去离子水中超声3-5小时，得到氧化石墨烯分散液；
(2) 硝酸银溶解到去离子水中得到硝酸银溶液，在磁力搅拌条件下将硝酸银溶液逐滴滴加到上述氧化石墨烯分散液中，滴加完毕后继续慢速搅拌6-12 小时，得到混合溶液A，混合溶液A中硝酸银的浓度为2-4 wt%，氧化石墨烯的浓度为0.05-0.15 wt%；
(3) P25超声分散于去离子水中配置成分散液后，在磁力搅拌条件下将P25分散液滴加到混合溶液A中，继续搅拌得到混合前驱体溶液B，混合前驱体溶液B中硝酸银的浓度为1-2 wt%，氧化石墨烯的浓度为0.02-0.1 wt%, P25的浓度为0.2-0.8 wt%；
(4) 磷酸盐溶于去离子水中，得到浓度为0.15 mol/L的磷酸盐溶液；
(5) 在磁力搅拌条件下将步骤(4)制备的磷酸盐溶液逐滴加入步骤(3)的混合前驱体溶液B中，直至反应体系中出现灰绿色浑浊，滴加完毕后混合溶液继续搅拌30~60 min后转移到聚四氟乙烯内胆中，将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中，140-200°C条件下反应10-30 h，反应结束后反应釜自然冷却至室温，所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次，真空干燥后得到所述复合材料。
制备方法步骤（4）中所述的磷酸盐为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠或磷酸钠。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
a) 将石墨烯材料引入到复合材料体系，使得复合材料中的二氧化钛、磷酸银颗粒可以得到很好的分散，其大的比表面积可以有效控制二氧化钛和磷酸银颗粒的生长，并有效防止颗粒之间的大面积团聚，从而获得尺寸均匀、结构可控的微纳米复合结构；
b) 通过磷酸银对可见光响应好，以及石墨烯复合后材料的颜色变深，导致整个复合材料体系对可见光的吸收大大增强，对可见光响应范围拓宽，从而导致复合材料在可见光照射下光生电子的数量和传输速度都得到提高，石墨烯高的导电性使得光生电子和电子空穴的分离加快，从而使得其光催化降解有机污染物的效率显著增强；
c) 利用磷酸银、二氧化钛之间的生物协同效应，使得所制备的材料具有全天候高效广谱抗菌活性，能快速抑制和杀灭环境中常见的细菌和微生物。
附图说明
图1为石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料的扫描电子显微镜图；
图2为石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料的透射电子显微镜图；
图3为石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料的X射线衍射图谱；
图4为石墨烯/磷酸银/二氧化钛复合材料的紫外可见漫反射光谱图；
图5为石墨烯/磷酸银/二氧化钛复合材料在可见光条件下对罗丹明B的光催化降解曲线图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
将20 mg氧化石墨烯分散于20 ml去离子水中超声3小时得到氧化石墨烯分散液，称取1.529 g硝酸银溶于20 ml去离子水中得到硝酸银溶液，在磁力搅拌条件下将硝酸银溶液滴加到上述氧化石墨烯分散液中，滴加完毕后溶液慢速搅拌6小时，得到混合溶液A；再称取300 mg P25超声分散于50ml去离子水中，在磁力搅拌条件下将P25分散液滴加到混合溶液A中后继续搅拌30分钟得到混合前驱体溶液B，称取0.426 g Na2HPO4固体溶于20 ml去离子水中，得到磷酸氢二钠溶液，再将配好的磷酸氢二钠溶液逐滴加入到混合前驱体溶液B中，直至反应体系中出现灰绿色浑浊，继续搅拌30分钟，然后转移到聚四氟乙烯内胆中，将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中，180°C条件下反应24h，反应结束后反应釜自然冷却至室温，所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次后，真空干燥。
图1为实施例1所制备的石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料的扫描电镜图，从图中我们可以看出，P25纳米颗粒包裹在微米级的磷酸银颗粒上，图中也能看见薄片状的石墨烯片层；图2透射电镜中清晰可见微米级的磷酸银、二氧化钛纳米颗粒以及覆盖的石墨烯片，其中磷酸银粒径为360-480nm，二氧化钛纳米颗粒平均尺寸为8-12nm；图3为实施例1所制备的石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料的X射线衍射图，衍射图中所有的衍射峰均很好的对应于响应的磷酸银和二氧化钛，由于反应物中加入氧化石墨烯量较少，所以还原后得到的石墨烯含量也较低，另外石墨烯的衍射峰强度相对晶化的磷酸银和二氧化钛衍射峰而言很弱，所以在X射线衍射图谱中未能观察到来源于石墨烯的衍射峰，图4为实施例1所制备的石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料的紫外可见漫反射光谱图，从图中我们可以看出，该复合材料在整个紫外可见光区(200-800 nm)都具有较好的吸收，吸光度超过0.6。
实施例2
将50 mg氧化石墨烯分散于20 ml去离子水中超声4小时得到氧化石墨烯分散液，称取1.529 g硝酸银溶于20 ml去离子水中得到硝酸银溶液，在磁力搅拌条件下将硝酸银溶液滴加到上述氧化石墨烯分散液中，滴加完毕后溶液慢速搅拌12小时，得到混合溶液A，再称取400 mg P25超声分散于50ml去离子水中，在磁力搅拌条件下将P25分散液滴加到混合溶液A中后继续搅拌30分钟得到混合前驱体溶液B，称取0.36 g NaH2PO4固体溶于20 ml去离子水中，得到磷酸二氢钠溶液，再将配好的磷酸二氢钠溶液逐滴加入到混合前驱体溶液B中，直至反应体系中出现棕黄色浑浊，继续搅拌15分钟，然后转移到聚四氟乙烯内胆中，将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中，140°C条件下反应30h，反应结束后反应釜自然冷却至室温，所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次后，真空干燥。
实施例3
将100 mg氧化石墨烯分散于50 ml去离子水中超声5小时得到氧化石墨烯分散液，称取1.529 g硝酸银溶于20 ml去离子水中得到硝酸银溶液，在磁力搅拌条件下将硝酸银溶液滴加到上述氧化石墨烯分散液中，滴加完毕后溶液慢速搅拌8小时，得到混合溶液A，再称取600 mg P25超声分散于50ml去离子水中，在磁力搅拌条件下将P25分散液滴加到混合溶液A中后继续搅拌30分钟得到混合前驱体溶液B，称取0.426 g Na2HPO4固体溶于20 ml去离子水中，得到磷酸氢二钠溶液，再将配好的磷酸氢二钠溶液逐滴加入到混合前驱体溶液B中，直至反应体系中出现灰绿色浑浊，继续搅拌45分钟，然后转移到聚四氟乙烯内胆中，将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中，200°C条件下反应16 h，反应结束后反应釜自然冷却至室温，所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次后，真空干燥。
实施例4
将20 mg氧化石墨烯分散于20 ml去离子水中超声3小时得到氧化石墨烯分散液，称取1.529 g硝酸银溶于20 ml去离子水中得到硝酸银溶液，在磁力搅拌条件下将硝酸银溶液滴加到上述氧化石墨烯分散液中，滴加完毕后溶液慢速搅拌10小时，得到混合溶液A，再称取600 mg P25超声分散于50ml去离子水中，在磁力搅拌条件下将P25分散液滴加到混合溶液A中后继续搅拌30分钟得到混合前驱体溶液B，称取0.49 g Na3PO4溶于20 ml去离子水中，得到磷酸钠溶液，再将配好的磷酸钠溶液逐滴加入到混合前驱体溶液B中，直至反应体系中出现灰绿色浑浊，继续搅拌40分钟，然后转移到聚四氟乙烯内胆中，将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中，180°C条件下反应24h，反应结束后反应釜自然冷却至室温，所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次后，真空干燥。
实施例5
将50 mg氧化石墨烯分散于30 ml去离子水中超声4小时得到氧化石墨烯分散液，称取1.529 g硝酸银溶于20 ml去离子水中得到硝酸银溶液，在磁力搅拌条件下将硝酸银溶液滴加到上述氧化石墨烯分散液中，滴加完毕后溶液慢速搅拌10小时，得到混合溶液A，再称取400 mg P25超声分散于50ml去离子水中，在磁力搅拌条件下将P25分散液滴加到混合溶液A中后继续搅拌30分钟得到混合前驱体溶液B，称取0.426 g Na2HPO4溶于20 ml去离子水中，得到磷酸氢二钠溶液，再将配好的磷酸氢二钠溶液逐滴加入到混合前驱体溶液B中，直至反应体系中出现灰绿色浑浊，继续搅拌50分钟，然后转移到聚四氟乙烯内胆中，将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中，200°C条件下反应12 h，反应结束后反应釜自然冷却至室温，所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次后，真空干燥。
实施例6
将100 mg氧化石墨烯分散于50 ml去离子水中超声5小时得到氧化石墨烯分散液，称取1.529 g硝酸银溶于20 ml去离子水中得到硝酸银溶液，在磁力搅拌条件下将硝酸银溶液滴加到上述氧化石墨烯分散液中，滴加完毕后溶液慢速搅拌12小时，得到混合溶液A，再称取300 mg P25超声分散于50ml去离子水中，在磁力搅拌条件下将P25分散液滴加到混合溶液A中后继续搅拌30分钟得到混合前驱体溶液B，称取0.49 g Na3PO4溶于20 ml去离子水中，得到磷酸钠溶液，再将配好的磷酸钠溶液逐滴加入到混合前驱体溶液B中，直至反应体系中出现灰绿色浑浊，继续搅拌30分钟，然后转移到聚四氟乙烯内胆中，将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中，180°C条件下反应24 h，反应结束后反应釜自然冷却至室温，所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次后，真空干燥。
实施例7
将实施例1-6所制备出的复合材料分别与大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、短小芽孢杆菌以及绿脓杆菌共同培养，进行平板法、最小抑菌浓度和最小杀菌浓度试验，试验方法按照中华人民共和国卫生部《消毒技术规范》操作，所用菌种由江苏大学药学院提供。
平板法抑菌圈试验结果如表2所示，中华人民共和国行业标准规定：化合物抑菌圈直径小于7毫升时可认定为无抗菌作用；抑菌圈之间在7-10mm之间时为弱抗菌活性；抑菌圈直径在10-20mm之间时为较好抗菌活性；抑菌圈直径超过20mm表示具有很强的抗菌活性，抑菌圈直径越大，表明该材料的抗菌活性越好，从表2中可以看出：所有实施例对于所有的测试细菌的抑菌圈直径都在15 mm 以上，对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径甚至都超过20 mm, 表明复合材料对测试的菌种具有广谱的抗菌性能，且抗菌活性较好。
表2
最小抑菌浓度和最小杀菌浓度的试验结果如表3所示, 浓度数值越小，代表抑菌杀菌效果越好，从表3可以看出，所有实施例制备出的复合材料对测试菌种的最小抑菌浓度都不超过50 ppm, 最小杀菌浓度都不超过100 ppm, 均明显好于国家规定的抗菌材料800 ppm的标准，表明所制备出的复合材料均具有优异的抗菌杀菌活性。
表3
此外，本发明所制备出的石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料被用于有机染料罗丹明B的光催化降解实验，具体过程和步骤如下：
将50 mg的石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料超声分散于100毫升 25 ppm的罗丹明B溶液中后超声10分钟， 混合均匀的分散液转移到氙灯光催化反应器中的石英瓶中，黑暗条件下搅拌30分钟使其达到吸附平衡后打开氙灯光源，每隔1分钟用注射器抽取4 mL 照射后的混合分散液转移到标记的离心管中，可见光照射一定时间后关闭氙灯光源，将所有的离心管中的样品离心分离，离心后所得到的上层清液进一步转移到石英比色皿中在紫外-可见分光光度计上测定不同光催化时间下的吸光度，从而得到各个时间段下石墨烯/磷酸银/二氧化钛复合材料在可见光照射下对罗丹明B的光催化降解曲线图。
图5为实施例1所制备出的石墨烯/磷酸银/二氧化钛复合材料在可见光条件下对罗丹明B的光催化降解曲线图，从图5中可以看出，该复合材料在可见光照射1分钟后对罗丹明B的降解率超过80%，在可见光照射3分钟后降解完全，光催化降解曲线图表明石墨烯/磷酸银/二氧化钛复合材料在可见光照射下对有机染料罗丹明B具有高效的光催化降解效果。
Claims (3)
1.一种石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料，其特征在于：所述复合材料由石墨烯、磷酸银以及二氧化钛三种材料复合而成，复合材料中平均尺寸为8-12nm的二氧化钛纳米颗粒包裹在粒径为360-480nm的磷酸银颗粒表面，纳米和微米尺寸的P25、磷酸银颗粒均沉积在石墨烯片层表面；所述复合材料在可见光激发下对浓度为25ppm的罗丹明B溶液，1分钟光催化降解率超过80%，3分钟完全降解；对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、短小芽孢杆菌以及绿脓杆菌具有广谱高效的抑制和杀灭效果：对于所有的测试细菌的抑菌圈直径都在15 mm 以上；对所有测试菌种的最小抑菌浓度≤50 ppm, 最小杀菌浓度≤100 ppm。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1) 氧化石墨烯溶于去离子水中超声3-5小时，得到氧化石墨烯分散液；
(2) 硝酸银溶解到去离子水中得到硝酸银溶液，在磁力搅拌条件下将硝酸银溶液逐滴滴加到上述氧化石墨烯分散液中，滴加完毕后继续慢速搅拌6-12 小时，得到混合溶液A，混合溶液A中硝酸银的浓度为2-4 wt%，氧化石墨烯的浓度为0.05-0.15 wt%；
(3) P25超声分散于去离子水中配置成分散液后，在磁力搅拌条件下将P25分散液滴加到混合溶液A中，继续搅拌得到混合前驱体溶液B，混合前驱体溶液B中硝酸银的浓度为1-2 wt%，氧化石墨烯的浓度为0.02-0.1 wt%, P25的浓度为0.2-0.8 wt%；
(4) 磷酸盐溶于去离子水中，得到浓度为0.15 mol/L的磷酸盐溶液；
(5) 在磁力搅拌条件下将步骤(4)制备的磷酸盐溶液逐滴加入步骤(3)的混合前驱体溶液B中，直至反应体系中出现灰绿色浑浊，滴加完毕后混合溶液继续搅拌30~60 min后转移到聚四氟乙烯内胆中，将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中，140-200°C条件下反应10-30 h，反应结束后反应釜自然冷却至室温，所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次，真空干燥后得到所述复合材料。
3. 如权利要求2所述的一种石墨烯/磷酸银/二氧化钛双功能复合材料的制备方法，其特征在于：所述的磷酸盐为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠或磷酸钠。
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