CN104525177A - 一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法：将NH4OH溶液滴加到InCl3和Ti(SO4)2混合溶液中，得沉淀用去离子水清洗，超声处理，干燥，焙烧，得In2O3/TiO2复合纳米材料；将氧化石墨烯加入到去离子水和乙醇混合溶液中，超声处理，得氧化石墨烯混合溶液；将In2O3/TiO2加入到氧化石墨烯混合溶液中，磁力搅拌，在密闭四氟乙烯高压容器中120度保持3h，得固体物，冲洗，干燥，得石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂。该催化剂提高了对光的响应范围，对可见光利用能力强，具有较高稳定性和催化活性。制备方法简单、成本低、绿色环保，催化降解时不产生二次污染。

Description

一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种光催化剂的制备方法，具体涉及一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，属于光催化领域。
背景技术
目前，以半导体金属氧化物TiO2、ZnO、ZrO2、ZnS、In2O3、WO3等为催化剂，光催化氧化降解有机污染物成为环境界研究的热点领域。TiO2具有无毒、化学稳定性良好、制备方法简单和耐光化学腐蚀强等优点，被广泛应用于光催化降解有机污染物。为了提高TiO2的光催化活性，研究者们将其他的氧化物半导体与TiO2结合，例如ZnO、ZrO2、ZnS和NiO等，获得TiO2的复合催化剂。但是，ZnO、ZrO2、ZnS和NiO的带隙分别为3.2eV、5eV、3.6eV和3.5eV，其带隙较宽，只能够对紫外光响应。而In2O3的带隙比上述催化剂小，为2.8eV，能够更有效利用光源，但是其产生的光生电子和空穴重新结合速率较快，所以单独In2O3作为催化剂，效率并不高。然而，将In2O3与TiO2结合既能够扩大响应光谱的波长范围，又能降低光生电子和空穴的重新结合速率，能够极大地提高复合光催化剂的催化效率。
为了进一步提高In2O3/TiO2的光催化性，引入一种特殊的碳材料——石墨烯。石墨烯作为一种单层的二维碳原子薄膜，具有极强的导电性，良好的化学稳定性、较高的比表面积和良好的光学特性。因为石墨烯具有以上优点，所以将石墨烯掺杂到半导体光催化剂中会大大提高半导体本身的光催化活性，例如掺杂到单一催化剂TiO2，ZnO，CdS和Sr2Ta2O7中均有报道。但将石墨烯掺杂到In2O3/TiO2复合催化剂中从而改善其催化活性的试验，并未见报道。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种石墨烯掺杂到In2O3/TiO2中的复合光催化剂的制备方法，将石墨烯掺杂到In2O3/TiO2中，能够进一步降低光生电子和空穴对的重新结合速率，进一步提高光催化剂的光催化效率。
本发明的发明目的是提供一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，本发明采用的技术方案是：
一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备In2O3/TiO2复合纳米材料
A、按一定比例配制InCl3和Ti(SO4)2混合溶液，在冰水浴条件下，将浓度为10％～15％的NH4OH溶液逐滴加入到上述混合溶液中，直到混合液pH达到8～9，获得的沉淀反复用去离子水清洗，经过30-50min超声处理，得到In和Ti两种金属的氢氧化物混合溶胶；
B、将步骤(1)-A得到的混合溶胶在真空条件下室温干燥得到干凝胶，将干凝胶在300～450摄氏度下焙烧2h，得到In2O3/TiO2复合纳米材料。
(2)制备石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂
A、将一定量的氧化石墨烯加入到一定比例的去离子水和乙醇混合溶液中，超声处理1.2h，得到氧化石墨烯混合溶液；
B、将一定量的步骤1得到的In2O3/TiO2纳米复合材料加入到步骤(2)-A得到的氧化石墨烯混合溶液中，磁力搅拌2.5h，得到混合液；
C、将步骤(2)-B得到的混合液装入40mL或100mL密闭的四氟乙烯高压容器中在120摄氏度条件下保持3h，得到固体物，将该固体物用去离子水反复冲洗，过滤后，在室温下干燥，得到石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂。
上述技术方案中，步骤(1)-A中所述的InCl3和Ti(SO4)2混合溶液的摩尔比为1:10～1:20。
上述技术方案中，步骤(2)-A中所述的去离子水与乙醇混合溶液的体积比为2:1。
上述技术方案中，步骤(2)-A中所述的氧化石墨烯与去离子水和乙醇混合溶液的质量/体积(g/ml)比为0.8mg/mL。
上述技术方案中，步骤(2)-B中所述氧化石墨烯与In2O3/TiO2纳米复合材料的质量比为1:80～1:100。
有益效果：本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明利用一种非常简单的方法将TiO2和In2O3结合起来，制备出纳米复合材料TiO2/In2O3，并首次将石墨烯和In2O3/TiO2纳米材料结合，合成了一种新的石墨烯/In2O3/TiO2纳米复合光催化剂，该催化剂提高了In2O3/TiO2纳米材料对光的响应范围，对可见光的利用能力较In2O3/TiO2纳米材料强，而且其具有较高的稳定性和催化活性等优点。
2、本发明公开的一种石墨烯/In2O3/TiO2纳米复合材料制备方法简单、成本低廉、绿色环保，在催化降解污染物时不产生二次污染。
具体实施方式
下面将用实施例对本发明进行进一步描述：
实施例1：
一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，包括下列制备步骤：
(1)In2O3/TiO2制备方法：
配制InCl3和Ti(SO4)2混合溶液100mL，InCl3和Ti(SO4)2浓度分别为0.002mol/L和0.02mol/L，在冰水浴条件下，将浓度为10％的NH4OH溶液逐滴加入到上述混合溶液中，直到混合液pH达到8，获得的沉淀反复用去离子水清洗，经过30min超声处理，得到的两种金属的氢氧化物混合溶胶。真空条件下室温干燥，将干凝胶在300摄氏度下焙烧，得到In2O3/TiO2复合纳米材料。
(2)石墨烯/In2O3/TiO2制备方法：
将2mg氧化石墨烯加入到20mL去离子水和10mL乙醇混合溶液中，超声处理1.2h，将0.2g的In2O3/TiO2纳米复合材料加入到氧化石墨烯溶液中，磁力搅拌2.5h。将悬浮液装入40mL密闭的四氟乙烯高压容器中在120摄氏度条件下保持3h，得到固体用去离子水反复冲洗，过滤后，在室温下干燥，得到石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂。
利用步骤(2)中得到的石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂光催化处理含有四氯化碳的水样，催化剂用量为0.5g/L，水样中四氯化碳初始浓度为50μg/L，光源为2.6W氙灯光源紫外光，反应时间为120min，pH为7，反应完成后四氯化碳的去除率达到95％。
实施例2：
一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，包括下列制备步骤：
(1)In2O3/TiO2制备方法：
配制InCl3和Ti(SO4)2混合溶液80mL，InCl3和Ti(SO4)2浓度分别为0.001mol/L和0.02mol/L，在冰水浴条件下，将浓度为12％的NH4OH溶液逐滴加入到上述混合溶液中，直到混合液pH达到9，获得的沉淀反复用去离子水清洗，经过50min超声处理，得到的两种金属的氢氧化物混合溶胶。真空条件下室温干燥，将干凝胶在350摄氏度下焙烧，得到In2O3/TiO2复合纳米材料。
(2)石墨烯/In2O3/TiO2制备方法：
将2mg氧化石墨烯加入到20mL去离子水和10mL乙醇混合溶液中，超声处理1.2h，将0.16g的In2O3/TiO2纳米复合材料加入到氧化石墨烯溶液中，磁力搅拌2.5h。将悬浮液装入40mL密闭的四氟乙烯高压容器中在120摄氏度条件下保持3h，得到固体用去离子水反复冲洗，过滤后，在室温下干燥，得到石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂。
利用步骤(2)中得到的石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂光催化处理含有四氯化碳的水样，催化剂用量为0.5g/L，水样中四氯化碳初始浓度为50μg/L，光源为2.6W氙灯光源紫外光，反应时间为120min，pH为7，反应完成后四氯化碳的去除率达到95％。
实施例3：
一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，包括下列制备步骤：
(1)In2O3/TiO2制备方法：
配制InCl3和Ti(SO4)2混合溶液80mL，InCl3和Ti(SO4)2浓度分别为0.001mol/L和0.019mol/L，在冰水浴条件下，将浓度为15％的NH4OH溶液逐滴加入到上述混合溶液中，直到混合液pH达到8，获得的沉淀反复用去离子水清洗，经过50min超声处理，得到的两种金属的氢氧化物混合溶胶。真空条件下室温干燥，将干凝胶在450摄氏度下焙烧，得到In2O3/TiO2复合纳米材料。
(2)石墨烯/In2O3/TiO2制备方法：
将4mg氧化石墨烯加入到40mL去离子水和20mL乙醇混合溶液中，超声处理1.2h，将0.36g的In2O3/TiO2纳米复合材料加入到氧化石墨烯溶液中，磁力搅拌2.5h。将悬浮液装入100mL密闭的四氟乙烯高压容器中在120摄氏度条件下保持3h，得到固体用去离子水反复冲洗，过滤后，在室温下干燥，得到石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂。
利用步骤(2)中得到的石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂光催化处理含有四氯化碳的水样，催化剂用量为0.5g/L，水样中四氯化碳初始浓度为50μg/L，光源为2.6W氙灯光源紫外光，反应时间为120min，pH为7，反应完成后四氯化碳的去除率达到96％。
实施例4：对比试验
实验条件：水样中四氯化碳初始浓度为50μg/L，催化剂用量为0.5g/L，光源为2.6W氙灯光源紫外光，反应时间为120min，pH为7。
利用石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂、In2O3/TiO2复合光催化剂、石墨烯/TiO2三种催化剂分别作四氯化碳去除试验，对四氯化碳的去除率如下表所示：
催化剂 石墨烯/In2O3/TiO2 In2O3/TiO2 石墨烯/TiO2
四氯化碳去除率 95％ 89％ 90％
通过试验可以看出，石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂去除四氯化碳具有明显的优势。

Claims (5)

1.一种石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备In2O3/TiO2复合纳米材料
A、按一定比例配制InCl3和Ti(SO4)2混合溶液，在冰水浴条件下，将浓度为10％～15％的NH4OH溶液逐滴加入到上述混合溶液中，直到混合液pH达到8～9，获得的沉淀反复用去离子水清洗，经过30-50min超声处理，得到In和Ti两种金属的氢氧化物混合溶胶；
B、将步骤(1)-A得到的混合溶胶在真空条件下室温干燥得到干凝胶，将干凝胶在300～450摄氏度下焙烧2h，得到In2O3/TiO2复合纳米材料。
(2)制备石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂
A、将一定量的氧化石墨烯加入到一定比例的去离子水和乙醇混合溶液中，超声处理1.2h，得到氧化石墨烯混合溶液；
B、将一定量的步骤1得到的In2O3/TiO2纳米复合材料加入到步骤(2)-A得到的氧化石墨烯混合溶液中，磁力搅拌2.5h，得到混合液；
C、将步骤(2)-B得到的混合液装入40mL或100mL密闭的四氟乙烯高压容器中在120摄氏度条件下保持3h，得到固体物，将该固体物用去离子水反复冲洗，过滤后，在室温下干燥，得到石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)-A中所述的InCl3和Ti(SO4)2混合溶液的摩尔比为1:10～1:20。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)-A中所述的去离子水与乙醇混合溶液的体积比为2:1。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)-A中所述的氧化石墨烯与去离子水和乙醇混合溶液的质量/体积(g/ml)比为0.8mg/mL。
5.根据权利要求1-4任一项所述的石墨烯/In2O3/TiO2复合光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)-B中所述氧化石墨烯与In2O3/TiO2纳米复合材料的质量比为1:80～1:100。
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