CN104353449A

CN104353449A - 一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法

Info

Publication number: CN104353449A
Application number: CN201410661198.8A
Authority: CN
Inventors: 杨晓伟; 蔡铜祥; 杨玉晴
Original assignee: Jiangsu Yueda Novel Material Science And Technology Ltd
Current assignee: Jiangsu Yueda Novel Material Science And Technology Ltd
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2015-02-18

Abstract

本发明涉及一种光催化新材料，特别是一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法。采用氧化铋和四氯化钛为原料，去离子水和1,4-丁二醇为反应介质，得到钛酸铋的前驱物，后与氧化石墨烯水溶液混合在高压反应釜中加热反应得到石墨烯/钛酸铋光催化材料。本方法制备的光催化材料具有较高的催化活性，并且本发明具有操作简单、工艺过程可控、光催化性能好等特点。

Description

一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光催化材料，特别是一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法。

背景技术

能源危机和环境污染问题已成为当今世界的两大难题，近年来，对于光催化领域的研究和关注逐步增加，光催化被广大研究者认为是开发新能源和解决环境污染问题的有效方法之一，因而如何更好的提高光催化效率变得十分重要。二氧化钛作为一种环保的廉价的材料，被广泛的用作光催化剂，在降解有机污染物及空气净化等领域具有重要的应用价值。然而，二氧化钛的光催化活性受禁带宽度的限制，只能被波长小于380nm以下的紫外光所激发。此外，当二氧化钛光催化剂受到太阳光辐射时，被阳光所激发生成的电子-空穴对没有迅速迁移到表面，反而在内部迅速复合，这成为了另一个限制其催化活性的因素。为了充分利用太阳光中的可见光，人们积极寻求新型的非二氧化钛光催化材料，如钙钛矿光催化材料、层状结构金属氧化物光催化材料等。

含铋光催化材料属于非二氧化钛光催化材料中的一种，具有独特的电子结构，并且在可见光区有较陡峭的能带吸收边，是一种新型高催化活性的光催化材料。自从石墨烯在 2004 年被发现以来，这种新型的单原子层二维结构碳纳米材

料由于其优异的性质而被广泛应用。石墨烯具有优异的导电性，是一个良好的电

子受体；同时具有超大的比表面积，良好的吸附能力；其独特的二维结构和优异

的力学性能使其具有成为优秀载体的潜力。基于以上几点，将石墨烯引入到光催化领域，可以弥补其他新材料的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术难题是，克服现有技术的不足，提供一种简单可控的制备石墨烯/钛酸铋光催化材料的方法，提高单一钛酸铋光催化材料的催化活性。

本发明的技术解决方案为：以分析纯氧化铋（Bi2O3）和四氯化钛TiCl4为原料，去离子水和1,4-丁二醇作为反应介质，得到钛酸铋的前驱物；将氧化石墨烯溶液与钛酸铋的前驱物磁力搅拌得到混合溶液；此混合溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中反应得到石墨烯/钛酸铋光催化材料。

其具体制备工艺步骤如下：

（1）磁力搅拌作用下，在去离子水中加入TiCl₄，形成无色透明TiOCl₂溶液；然后，滴入氨水形成白色无定形水合二氧化钛凝胶；将此凝胶用去离子水清洗至pH为6.8~7，经离心分离得到水合二氧化钛凝胶；

（2）将分析纯Bi₂O₃溶解于稀硝酸中，得到透明硝酸铋溶液，其金属离子浓度为0.5~5M；

（3）利用超声作用，将上述水合二氧化钛凝胶超声分散在1,4-丁二醇中，其摩尔浓度为0.2M~0.8mol/L，然后和步骤（2）中所制得的硝酸铋溶液混合、分散，其中硝酸铋溶液与1，4-丁二醇的体积比为2:6~6:2；后加入一定量的矿化剂得到钛酸铋的前驱物；

（4）将氧化石墨超声分散于去离子水中得到氧化石墨烯水溶液；

（5）将步骤（3）中的钛酸铋前驱物与步骤（4）中的氧化石墨烯水溶液超声混合得到混合溶液；

（6）将步骤（5）中的混合溶液转移至高压反应釜中于180~240℃反应2-12h得到石墨烯/钛酸铋光催化材料。

上述步骤（1）中氨水滴加量为3~4ml/mlTiCl₄，水合二氧化钛凝胶在转速2000~6000rpm，时间5~20min条件下离心得到。

上述步骤（3）中超声分散功率：100W~250W，超声时间：10~20min；矿化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、碳酸氢钠、碳酸钾或碳酸氢钾其中一种或几种混合物；

上述步骤（4）中氧化石墨的质量浓度为5~15%，超声功率为200W~500W，超声时间：10~20min。

上述步骤（5）中超声分散功率：50W~200W，超声时间：5~15min。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1）通过醇热反应可以更好的控制产品的尺寸和形貌；

2）通过醇热反应将氧化石墨烯一步还原为石墨烯，避免使用还原剂；

3）所得的石墨烯及钛酸钡均为纳米材料，具有较大的比表面积，使得催化活性提高，进一步提高光催化能力。

具体实施方式

实施例1：

（1）在60ml去离子水中滴加0.5ml 0℃TiCl₄，形成无色透明的TiOCl₂溶液；然后滴加1.65ml氨水(26wt%)，形成白色无定形水合二氧化钛凝胶；将此凝胶用无CO₂去离子水清洗3次，洗液pH为7.0；凝胶离心分离在转速为3000rpm条件下进行，时间为15min；

（2）称取Bi₂O₃1.2g溶解于5ml稀硝酸中，搅拌5min得到无色透明的硝酸铋水溶液;

（3）利用功率与时间为150W×15min的超声作用，将上述水合二氧化钛凝胶超分散在60ml1,4-丁二醇中，然后和步骤（2）所制得的透明硝酸铋水溶液混合、分散，再加入20ml氢氧化钠水溶液得到钛酸铋前驱物；

（4）将0.5g氧化石墨超声分散于10ml去离子水中，超声功率为200W，时间10min得到质量分数为5%的氧化石墨烯水溶液；

（5）将步骤（3）中的钛酸铋前驱物与步骤（4）中的氧化石墨烯水溶液超声混合，超声功率：50W，超声时间：15min，得到混合溶液；

（6）将步骤（5）中得到的混合溶液转移至高压反应釜中，与220℃反应10h得到石墨烯/钛酸铋光催化材料。

实施例2：

（1）在40ml去离子水中滴加0.3ml 0℃TiCl₄，形成无色透明的TiOCl₂溶液；然后滴加1.40ml氨水(26wt%)，形成白色无定形水合二氧化钛凝胶；将此凝胶用无CO₂去离子水清洗3次，洗液pH为6.9；凝胶离心分离在转速为5000rpm条件下进行，时间为10min；

（2）称取Bi₂O₃1.0g溶解于3ml稀硝酸中，搅拌8min得到无色透明的硝酸铋水溶液;

（3）利用功率与时间为200W×10min的超声作用，将上述水合二氧化钛凝胶超分散在40ml1,4-丁二醇中，然后和步骤（2）所制得的透明硝酸铋水溶液混合、分散，再加入15ml氢氧化钾水溶液得到钛酸铋前驱物；

（4）将0.5g氧化石墨超声分散于5ml去离子水中，超声功率为150W，时间15min得到质量分数为10%的氧化石墨烯水溶液；

（5）将步骤（3）中的钛酸铋前驱物与步骤（4）中的氧化石墨烯水溶液超声混合，超声功率：100W，超声时间：10min，得到混合溶液；

（6）将步骤（5）中得到的混合溶液转移至高压反应釜中，与180℃反应12h得到石墨烯/钛酸铋光催化材料。

Claims

1.一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法，其特征在于：以分析纯氧化铋（Bi2O3）和四氯化钛TiCl4为原料，去离子水和1,4-丁二醇作为反应介质，得到钛酸铋的前驱物；将氧化石墨烯溶液与钛酸铋的前驱物磁力搅拌得到混合溶液；此混合溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中反应得到石墨烯/钛酸铋光催化材料。

2.如权利要求1所述的一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

3.如权利要求2所述的一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中氨水滴加量为3~4ml/mlTiCl₄，水合二氧化钛凝胶在转速2000~6000rpm，时间5~20min条件下离心得到。

4.如权利要求2所述的一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中超声分散功率：100W~250W，超声时间：10~20min；矿化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、碳酸氢钠、碳酸钾或碳酸氢钾其中一种或几种混合物。

5.如权利要求2所述的一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中氧化石墨的质量浓度为5~15%，超声功率为200W~500W，超声时间：10~20min。

6.如权利要求2所述的一种石墨烯/钛酸铋光催化材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）中超声分散功率：50W~200W，超声时间：5~15min。