CN114870896A - 一种2d/2d光催化-光热复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种2d/2d光催化-光热复合材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114870896A CN114870896A CN202210434447.4A CN202210434447A CN114870896A CN 114870896 A CN114870896 A CN 114870896A CN 202210434447 A CN202210434447 A CN 202210434447A CN 114870896 A CN114870896 A CN 114870896A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- composite material
- graphene oxide
- photocatalysis
- preparation
- photocatalytic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 78
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 78
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 77
- KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N Pyrrole Chemical compound C=1C=CNC=1 KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 52
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 48
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 claims description 47
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 42
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 claims description 38
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 33
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 24
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 21
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 21
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 15
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 13
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 10
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims description 6
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 3
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 14
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 abstract description 5
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 abstract description 4
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 abstract description 4
- 230000005012 migration Effects 0.000 abstract description 3
- 238000013508 migration Methods 0.000 abstract description 3
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract description 2
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 abstract description 2
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 abstract description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 abstract description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 20
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 20
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 18
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 18
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 18
- 230000009471 action Effects 0.000 description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 description 12
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 9
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 9
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 8
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 8
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- MYSWGUAQZAJSOK-UHFFFAOYSA-N ciprofloxacin Chemical compound C12=CC(N3CCNCC3)=C(F)C=C2C(=O)C(C(=O)O)=CN1C1CC1 MYSWGUAQZAJSOK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000036632 reaction speed Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 229960003405 ciprofloxacin Drugs 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- CXKWCBBOMKCUKX-UHFFFAOYSA-M methylene blue Chemical compound [Cl-].C1=CC(N(C)C)=CC2=[S+]C3=CC(N(C)C)=CC=C3N=C21 CXKWCBBOMKCUKX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229960000907 methylthioninium chloride Drugs 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N rhodamine B Chemical compound [Cl-].C=12C=CC(=[N+](CC)CC)C=C2OC2=CC(N(CC)CC)=CC=C2C=1C1=CC=CC=C1C(O)=O PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- STZCRXQWRGQSJD-UHFFFAOYSA-M sodium;4-[[4-(dimethylamino)phenyl]diazenyl]benzenesulfonate Chemical compound [Na+].C1=CC(N(C)C)=CC=C1N=NC1=CC=C(S([O-])(=O)=O)C=C1 STZCRXQWRGQSJD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000011882 ultra-fine particle Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004964 aerogel Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- OVTCUIZCVUGJHS-UHFFFAOYSA-N dipyrrin Chemical compound C=1C=CNC=1C=C1C=CC=N1 OVTCUIZCVUGJHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007323 disproportionation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 230000035622 drinking Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 1
- 238000010335 hydrothermal treatment Methods 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 239000010842 industrial wastewater Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 1
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 description 1
- 238000013033 photocatalytic degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000013638 trimer Substances 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 238000003911 water pollution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J31/00—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
- B01J31/02—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides
- B01J31/06—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides containing polymers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/39—Photocatalytic properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/12—Oxidising
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
- C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
- C02F1/048—Purification of waste water by evaporation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/30—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/30—Organic compounds
- C02F2101/308—Dyes; Colorants; Fluorescent agents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2305/00—Use of specific compounds during water treatment
- C02F2305/10—Photocatalysts
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
- Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
- Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明公开了一种2D/2D光催化‑光热复合材料及其制备方法和应用，该复合材料为两个二维材料的复合，该制备过程通过将石墨烯分散液和PPy复合反应。该制备工艺简单，成本低廉，选用的氧化石墨烯、吡咯、FeCl3·6H2O无氟、无毒、无害，不产生危害。制备工艺简单，不产生污染物。所得材料可通过光催化去除溶解在水中的有机物，以及通过光热蒸发去除水中的盐和重金属离子，实现可持续水处理。制备的材料具有优异的光催化性能，吸光范围扩大，光生载流子迁移率高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于纳米催化材料制备技术领域，具体涉及一种2D/2D光催化-光热复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
人类生活水平的提高、气候变化、人口增长和工业发展对地球上的淡水资源造成了越来越大的压力，饮用淡水一直面临着资源短缺的问题，特别是在大多数发展中国家和一些贫困地区。因此迫切需要利用丰富的海水和工业废水来生产清洁水，解决水资源匮乏这一难题。在过去几十年中，反渗透、电渗析和蒸馏等重要技术已应用于从海水中生产清洁水。然而，这些技术成本高，可能会导致严重的二次污染。此外，先进的设备和技术也阻碍了其在经济欠发达地区的实施。因此，开发一种新的技术实现高效的水处理成为目前能源环境研究领域中的热点。
在过去十年中，有效利用可再生和取之不尽的太阳辐射进行能源转换备受关注，利用太阳能以低成本解决能源和环境问题是目前研究的热点。光催化技术能够利用清洁能源实现废水中污染物的去除，是解决水污染问题、获得清洁水的一种重要途径。光催化技术能够诱导氧化还原反应降解污染物，因其无毒、稳定、成本低而成为一种高潜力的“绿色化学”技术，满足了能源和环境领域快速增长的实际需求。但目前的大多催化剂为金属基无机半导体催化剂，其价格高、可见光谱响应差、制备工艺复杂、具有二次污染，使得广泛应用受到了严重限制。与此同时，光热也是利用太阳能生产清洁水的一种新的途径。太阳能水蒸发技术利用界面蒸发的方式可为清洁能源的高效利用、海水淡化、污水处理等提供新的解决方案，可以实现环境友好，低成本、无额外电力投入的清洁水生产，在可持续水处理方面显示出巨大潜力，已成为解决缺水危机的重点和前沿研究领域。但目前太阳能水蒸发领域大规模应用还存在一些障碍：对恶劣水环境的抵抗力弱，成本高。且目前光催化剂和光热蒸发器大多都是单独的被用作水处理，极大的降低了水处理的效率。现阶段有人就光催化和光热二者的协同效应进行了一些研究，如Wang等通过一种简单且无模板的方法合成了三维花状CuS超微粒，合成的CuS超微粒具有很高的光催化活性，可用于染料废水的处理。此外，还证明CuS颗粒的光热转换在产生高效光催化活性和高效利用太阳能方面起着重要作用(Solar Energy,2018,170:586-593.)。Guo等采用连续生长沉积法在空心八面体Cu2-XS表面合成了Cu2-XS/CdS/Bi2S3催化剂。将光热转化和光催化活性结合起来，以提高光催化产氢和降解性能(ACS Appl.Mater.Interfaces,2020,12,36,40328–40338)。然而，上述方法制备过程繁琐，成本高，并且得到的材料仅仅是借助光热转化提升光催化性能，并没有实现光催化降解和光热水蒸发的协同效应，使得水处理效率降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种2D/2D光催化-光热复合材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中水处理材料功能单一，容易造成二次污染等问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将氧化石墨烯溶解在水中，将混合液在冰浴锅中搅拌，获得氧化石墨烯分散液；
步骤2，将吡咯单体滴加到氧化石墨烯分散液中，在冰浴锅中搅拌均匀，获得反应溶液，将反应溶液至于反应釜中反应，制得rGO/Py水凝胶；
步骤3，将氧化剂溶解在水中，形成氧化剂溶液；将rGO/Py水凝胶至于氧化剂溶液中，在0～10℃下反应6～24h，获得反应产物，将反应产物清洗后，获得rGO/PPy水凝胶为2D/2D光催化-光热复合材料。
本发明的进一步改进在于：
优选的，步骤1中，所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.5～10mg/mL。
优选的，步骤1中，超声分散时间为10-30min。
优选的，步骤2中，吡咯单体的滴加速度为20～100滴/min。
优选的，步骤2中，搅拌速度为500～1000r/min，搅拌时间为5～30min。
优选的，步骤2中，吡咯单体的浓度为0.1～2mol/L。
优选的，步骤2中，反应温度为100～250℃，反应时间为3～12h。
优选的，所述氧化剂为FeCl3、双氧水以及过硫酸铵中的一种，溶液的浓度为0.5～5mol/L。
一种通过上述任意一项制备方法制得的2D/2D光催化-光热复合材料，包括氧化石墨烯层，以及形成于氧化石墨烯层上的聚吡咯片层。
一种上述的2D/2D光催化-光热复合材料在光催化和水处理方面中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，该复合材料为两个二维材料的复合，该制备过程通过将石墨烯分散液和PPy复合，石墨烯与PPy复合时，在比较有利的反应条件下，PPy与石墨烯会发生一定程度的化学作用而在两者表面甚至一定深度上形成掺杂化学键，类似于半导体的碳掺杂，形成掺杂能级，使PPy的带宽变窄,发生一定程度的红移,从而扩展了对可见光的响应。制备工艺简单，成本低廉，选用的氧化石墨烯、吡咯、FeCl3·6H2O无氟、无毒、无害，不产生危害。制备工艺简单，不产生污染物。所得材料可通过光催化去除溶解在水中的有机物，以及通过光热蒸发去除水中的盐和重金属离子，实现可持续水处理。制备的材料具有优异的光催化性能，吸光范围扩大，光生载流子迁移率高，稳定性好。
相对于传统制备将石墨烯和吡咯复合都是采用直接氧化法，只能得到PPy微球，而且，石墨烯形成气凝胶的过程中自身会发生堆叠，不利于多孔材料的生成。本发明制备方法采用的是后氧化法，吡咯单体先铆钉在石墨烯表面生成水凝胶，可以抑制石墨烯的堆垛，而且后氧化方法生成的是PPy纳米片，更有利光生载流子的转移。
本发明还公开了一种2D/2D光催化-光热复合材料，该复合材料聚吡咯以片层形式生长在氧化石墨烯上，该复合材料把石墨烯引入到光催化系统中，由于PPy的导带能级高于石墨烯的费米能级,所以光生电子很容易通过PPy与石墨烯所形成的界面从PPy传递到石墨烯上，该复合材料在光激发下，为光生电子提供了更有利的传输通道，有助于调节能带结构，产生更多活性物质，抑制电子-空穴复合。此外，分子内偶联有利于π电子离域系统的形成，有利于与有机分子特别是共轭分子或非极性分子的强相互作用，从而加速水蒸发。2D/2D光催化-光热复合材料兼具高效水蒸发和卓越的光催化性能，在可持续水处理领域有广阔的应用前景。
本发明还公开了一种2D/2D光催化-光热复合材料的应用，所得2D/2D光催化-光热复合材料具备优异光催化性能和光热性能，由巨大π共轭体系构成的石墨烯二维平面结构能够以高达1.5×104cm2/(V·s)的载流子迁移速率把电子快速转移到目标反应物上，与此同时延长了光生电子的平均自由程，参与高活性自由基，如羟基自由基和过氧自由基的形成，非选择性氧化降解有机污染物、光催化杀菌。在水处理领域，在30分钟内降解染料废水的效率达到95％以上，具备优异的循环稳定性，不会产生二次污染。在水处理领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明制备的材料的红外光谱和XRD；其中，(a)图为红外光谱图；(b)图为XRD图；
图2是本发明制备的材料的光学照片和扫描电镜；其中，(a)图为光学照片；(b)图为扫描电镜图；
图3是本发明制备的材料的紫外-可见漫反射光谱；
图4是本发明制备的材料的光催化性能和循环性能；
图5是本发明制备的材料的光热性能。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种2D/2D(二维/二维)光催化-光热复合材料及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤1，室温条件下，将氧化石墨烯超声分散到去离子水中，其中，氧化石墨烯的浓度为0.5～10mg/mL，获得氧化石墨烯分散液；超声分散时间为10-30min。
步骤2，将吡咯单体滴加到氧化石墨烯分散液中，滴加速度为20～100滴/min，滴加的吡咯单体的纯度为95.0％-99.9％；滴加过程中氧化石墨烯分散液始终在冰浴锅中，在磁力转子的作用下进行搅拌，搅拌速率为100～500r/min，搅拌时间为5～30min，得到混合溶液，其中吡咯单体的浓度为0.1～2mol/L；将配制好的混合溶液装入聚四氟乙烯反应器中，放入烘箱中反应，反应时间为3～12h，反应温度为100～250℃，制得rGO/Py水凝胶。
由于反应温度对化学反应速度的影响很大，该步骤中，在较高的反应速度下，形成的聚吡咯分子链缺陷较多，不能形成良好的导电网络，因此导电性较差。在5℃(冰浴)时，体系的反应速度相对较低，因而通过控制低温和减缓吡咯单体的加入速度，可以避免或者减少吡咯在聚合时在分子链中产生的缺陷。
在烘箱反应过程中，三维石墨烯骨架是在水热处理过程中由还原态GO片的强烈相互作用组装而成。Py单体具有典型的共轭结构，带有富电子N原子，可通过氢键或π–π相互作用轻松附着在GO的表面和廊道上。因此，Py的存在将有效防止GO在水热过程中的自堆叠行为，并相应地增加可用于形成具有薄连接壁的大体积3D石墨烯的GO片。
步骤3，在室温条件下，将氧化剂溶解在去离子水中形成氧化剂溶液。将rGO/Py水凝胶浸泡在氧化剂溶液中，氧化剂为FeCl3·6H2O、双氧水或过硫酸铵中的一种，氧化剂溶液浓度为0.5～5mol/L；在0～10℃下反应6～24h，获得反应产物，将反应产物通过乙醇和去离子水(乙醇和去离子水的体积比为3：1)清洗以去除未反应的试剂以及氧化剂，得到rGO/PPy水凝胶，为2D/2D光催化-光热复合材料。
该步骤中，在氧化剂的作用下，一个电中性的吡咯单体分子失去一个电子被氧化成阳离子自由基。接着，两个阳离子自由基结合生成二聚吡咯的双阳离子，此双阳离子经过歧化作用，生成电中性的二聚吡咯。然后，二聚吡咯再被氧化，与阳离子自由基结合，再歧化，生成三聚体。这样反应下去，直到生成聚合度为n的链状PPy分子。
最后形成的2D/2D光催化-光热复合材料其内部是疏松多孔的结构，聚吡咯在氧化石墨烯片层上限域生长成片层结构，二者复合形成水凝胶。
实施例1：
室温条件下，按本发明所述的比例取各组分，首先将1mg/mL氧化石墨烯超声10分钟分散到去离子水中，形成氧化石墨烯分散液，后将氧化石墨烯分散液置于冰浴锅中，在磁力转子的作用下进行搅拌。接下来，将0.5mol/L吡咯单体以30滴/分钟的滴加速度滴加到氧化石墨烯分散液中，滴加过程中氧化石墨烯分散液始终在冰浴锅中，在磁力转子的作用下以500r/min的速度搅拌30分钟，获得前驱液。将配制好的溶液装入聚四氟乙烯反应器中，放置在烘箱中，在200℃反应10h，制得rGO/Py水凝胶。
在室温条件下，将rGO/Py水凝胶浸泡1mol/L FeCl3·6H2O溶液中，在8℃下反应15h，将所得水凝胶用乙醇和去离子水清洗以去除未反应的试剂，得到rGO/PPy水凝胶，为2D/2D光催化-光热复合材料。如图1(a)所示，对制得的材料进行红外光谱分析，最终结果证明了rGO/PPy中存在明显的π-π共轭效应，同时证明了极化子和双极化子的存在，它们可以有效地促进电子迁移。从图1(b)中可以看出，与rGO相比，rGO/PPy中的衍射峰从24.5°移动到25.6°，表明RGO片和PPy纳米层之间的有效耦合。
实施例2：
室温条件下，按本发明所述的比例取各组分，首先将3mg/mL氧化石墨烯超声15分钟分散到去离子水中，，形成氧化石墨烯分散液，后将氧化石墨烯分散液置于冰浴锅中，在磁力转子的作用下进行搅拌。接下来，将1.5mol/L吡咯单体以30滴/分钟的滴加速度滴加到氧化石墨烯分散液中，滴加过程中氧化石墨烯分散液始终在冰浴锅中，在磁力转子的作用下以800r/min的速度搅拌30分钟，获得前驱液。将配制好的溶液装入聚四氟乙烯反应器中，放置在烘箱中，在150℃反应8h，制得rGO/Py水凝胶。
在室温条件下，将rGO/Py水凝胶浸泡2mol/L过硫酸铵溶液中，在10℃下反应12h，将所得水凝胶用乙醇和去离子水清洗以去除未反应的试剂，得到rGO/PPy水凝胶，为2D/2D光催化-光热复合材料。如图2(a)所示，为所制备复合材料的光学照片，证明此法可以成功制备出形貌规整的rGO/PPy水凝胶，用于水处理。图2(b)为rGO/PPy水凝胶的扫描电镜图，聚合的PPy可有效防止rGO的自堆叠，使得其呈现更薄的三维层状堆叠结构，从而呈现更大的形状。
实施例3：
室温条件下，按本发明所述的比例取各组分，首先将5mg/mL氧化石墨烯超声30分钟分散到去离子水中，形成氧化石墨烯分散液，后将氧化石墨烯分散液置于冰浴锅中，在磁力转子的作用下以800r/min的速度搅拌30分钟。接下来，将2mol/L吡咯单体以30滴/分钟的滴加速度滴加到氧化石墨烯分散液中，滴加过程中氧化石墨烯分散液始终在冰浴锅中，在磁力转子以1000r/pmin转速下进行搅拌30分钟，获得前驱液。将配制好的溶液装入聚四氟乙烯反应器中，放置在烘箱中，在200℃反应5h，制得rGO/Py水凝胶。
在室温条件下，将rGO/Py水凝胶浸泡3mol/L FeCl3·6H2O溶液中，在5℃下反应12h，将所得水凝胶用乙醇和去离子水清洗以去除未反应的试剂，得到rGO/PPy水凝胶，为2D/2D光催化-光热复合材料。如图3所示为rGO/PPy水凝胶的捕光效率图，从图中可以看出制备的复合材料在整个波长范围(200-2500nm)内具有优异的光吸收性能。这种特性可以避免结构内部不必要的反射，并增加入射光的多次反射。从内置插图可以看出，PPy具有宽的光吸收带，覆盖整个UV-vis区域，该区域没有明显的吸收边缘，这表明其广泛的光吸收能力。
实施例4：
室温条件下，按本发明所述的比例取各组分，首先将6mg/mL氧化石墨烯超声30分钟分散到去离子水中，形成氧化石墨烯分散液，后将氧化石墨烯分散液置于冰浴锅中，在磁力转子的作用下。接下来，将2mol/L吡咯单体以30滴/分钟的滴加速度滴加到氧化石墨烯分散液中，滴加过程中氧化石墨烯分散液始终在冰浴锅中，磁力转子以1000r/pmin转速下进行搅拌30分钟，获得前驱液。，将配制好的溶液装入聚四氟乙烯反应器中，放置在烘箱中，在150℃反应12h，制得rGO/Py水凝胶。
在室温条件下，将rGO/Py水凝胶浸泡5mol/L FeCl3·6H2O溶液中，在5℃下反应15h，将所得水凝胶用乙醇和去离子水清洗以去除未反应的试剂，得到rGO/PPy水凝胶，为2D/2D光催化-光热复合材料。如图4所示，展示了rGO/PPy对亚甲基蓝，罗丹明，环丙沙星的降解效率。测试结果表明，该复合材料在模拟阳光下60min内对亚甲甲蓝和罗丹明的降解率达到99％以上，对环丙沙星的降解率达到60％，具有优异的光催化效率。
实施例5：
室温条件下，按本发明所述的比例取各组分，首先将3mg/mL氧化石墨烯超声20分钟分散到去离子水中，形成氧化石墨烯分散液，后将氧化石墨烯分散液置于冰浴锅中，在磁力转子的作用下进行搅拌。接下来，将1mol/L吡咯单体以30滴/分钟的滴加速度滴加到氧化石墨烯分散液中，滴加过程中氧化石墨烯分散液始终在冰浴锅中，在磁力转子的作用下以1000r/min的速度搅拌30分钟，获得前驱液。将配制好的溶液装入聚四氟乙烯反应器中，放置在烘箱中，在150℃反应8h，制得rGO/Py水凝胶。
在室温条件下，将rGO/Py水凝胶浸泡2mol/L FeCl3·6H2O溶液中，在3℃下反应24h，将所得水凝胶用乙醇和去离子水清洗以去除未反应的试剂，得到rGO/PPy水凝胶，为2D/2D光催化-光热复合材料。图5显示了rGO/PPy水凝胶在不同溶液(海水、泥水、甲基橙溶液)中的水分蒸发，在1.0太阳照射下，海水、泥水、甲基橙溶液的蒸发为1.92kg·m-2、1.85kg·m-2和1.96kg·m-2。
实施例6：
室温条件下，按本发明所述的比例取各组分，首先将0.5mg/mL氧化石墨烯超声25分钟分散到去离子水中，形成氧化石墨烯分散液，后将氧化石墨烯分散液置于冰浴锅中，在磁力转子的作用下进行搅拌。接下来，将0.1mol/L吡咯单体以20滴/分钟的滴加速度滴加到氧化石墨烯分散液中，滴加过程中氧化石墨烯分散液始终在冰浴锅中，在磁力转子的作用下以600r/min的速度搅拌10分钟，获得前驱液。将配制好的溶液装入聚四氟乙烯反应器中，放置在烘箱中，在100℃反应12h，制得rGO/Py水凝胶。
在室温条件下，将rGO/Py水凝胶浸泡0.5mol/L FeCl3·6H2O溶液中，在0℃下反应24h，将所得水凝胶用乙醇和去离子水清洗以去除未反应的试剂，得到rGO/PPy水凝胶，为2D/2D光催化-光热复合材料。
实施例7：
室温条件下，按本发明所述的比例取各组分，首先将8mg/mL氧化石墨烯超声15分钟分散到去离子水中，形成氧化石墨烯分散液，后将氧化石墨烯分散液置于冰浴锅中，在磁力转子的作用下进行搅拌。接下来，将1mol/L吡咯单体以50滴/分钟的滴加速度滴加到氧化石墨烯分散液中，滴加过程中氧化石墨烯分散液始终在冰浴锅中，在磁力转子的作用下以700r/min的速度搅拌5分钟，获得前驱液。将配制好的溶液装入聚四氟乙烯反应器中，放置在烘箱中，在250℃反应3h，制得rGO/Py水凝胶。
在室温条件下，将rGO/Py水凝胶浸泡4mol/L FeCl3·6H2O溶液中，在2℃下反应6h，将所得水凝胶用乙醇和去离子水清洗以去除未反应的试剂，得到rGO/PPy水凝胶，为2D/2D光催化-光热复合材料。
实施例8：
室温条件下，按本发明所述的比例取各组分，首先将10mg/mL氧化石墨烯超声30分钟分散到去离子水中，形成氧化石墨烯分散液，后将氧化石墨烯分散液置于冰浴锅中，在磁力转子的作用下进行搅拌。接下来，将2mol/L吡咯单体以100滴/分钟的滴加速度滴加到氧化石墨烯分散液中，滴加过程中氧化石墨烯分散液始终在冰浴锅中，在磁力转子的作用下以900r/min的速度搅拌20分钟，获得前驱液。将配制好的溶液装入聚四氟乙烯反应器中，放置在烘箱中，在180℃反应7h，制得rGO/Py水凝胶。
在室温条件下，将rGO/Py水凝胶浸泡2mol/L FeCl3·6H2O溶液中，在7℃下反应20h，将所得水凝胶用乙醇和去离子水清洗以去除未反应的试剂，得到rGO/PPy水凝胶，为2D/2D光催化-光热复合材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将氧化石墨烯溶解在水中，将混合液在冰浴锅中搅拌，获得氧化石墨烯分散液；
步骤2，将吡咯单体滴加到氧化石墨烯分散液中，在冰浴锅中搅拌均匀，获得反应溶液，将反应溶液至于反应釜中反应，制得rGO/Py水凝胶；
步骤3，将氧化剂溶解在水中，形成氧化剂溶液；将rGO/Py水凝胶至于氧化剂溶液中，在0～10℃下反应6～24h，获得反应产物，将反应产物清洗后，获得rGO/PPy水凝胶为2D/2D光催化-光热复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.5～10mg/mL。
3.根据权利要求1所述的一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，超声分散时间为10-30min。
4.根据权利要求1所述的一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，吡咯单体的滴加速度为20～100滴/min。
5.根据权利要求1所述的一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，搅拌速度为500～1000r/min，搅拌时间为5～30min。
6.根据权利要求1所述的一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，吡咯单体的浓度为0.1～2mol/L。
7.根据权利要求1所述的一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，反应温度为100～250℃，反应时间为3～12h。
8.根据权利要求1所述的一种2D/2D光催化-光热复合材料的制备方法，其特征在于，所述氧化剂为FeCl3、双氧水以及过硫酸铵中的一种，溶液的浓度为0.5～5mol/L。
9.一种通过权利要求1-8任意一项制备方法制得的2D/2D光催化-光热复合材料，其特征在于，包括氧化石墨烯层，以及形成于氧化石墨烯层上的聚吡咯片层。
10.一种权利要求10所述的2D/2D光催化-光热复合材料在光催化和水处理方面中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210434447.4A CN114870896A (zh) | 2022-04-24 | 2022-04-24 | 一种2d/2d光催化-光热复合材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210434447.4A CN114870896A (zh) | 2022-04-24 | 2022-04-24 | 一种2d/2d光催化-光热复合材料及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114870896A true CN114870896A (zh) | 2022-08-09 |
Family
ID=82672265
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210434447.4A Pending CN114870896A (zh) | 2022-04-24 | 2022-04-24 | 一种2d/2d光催化-光热复合材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114870896A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116371379A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-07-04 | 陕西科技大学 | 一种rGO@PPy吸附-光热复合材料及其制备方法和应用 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102617853A (zh) * | 2012-03-27 | 2012-08-01 | 大连理工大学 | 一种泡沫多孔石墨烯/聚吡咯复合吸油材料的制备方法 |
| CN110794015A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-02-14 | 吉林师范大学 | 用于壬基酚检测的石墨烯/聚吡咯纳米复合材料修饰的分子印迹传感器的制备方法及应用 |
| CN113880174A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-01-04 | 西交利物浦大学 | 一种光热净水器及其应用 |
| CN113926397A (zh) * | 2020-07-14 | 2022-01-14 | 厦门大学 | 一种石墨烯吡咯气凝胶及其制备方法和应用 |
-
2022
- 2022-04-24 CN CN202210434447.4A patent/CN114870896A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102617853A (zh) * | 2012-03-27 | 2012-08-01 | 大连理工大学 | 一种泡沫多孔石墨烯/聚吡咯复合吸油材料的制备方法 |
| CN110794015A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-02-14 | 吉林师范大学 | 用于壬基酚检测的石墨烯/聚吡咯纳米复合材料修饰的分子印迹传感器的制备方法及应用 |
| CN113926397A (zh) * | 2020-07-14 | 2022-01-14 | 厦门大学 | 一种石墨烯吡咯气凝胶及其制备方法和应用 |
| CN113880174A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-01-04 | 西交利物浦大学 | 一种光热净水器及其应用 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| NAFEES AHMAD ET AL: "Novel bio-nanocomposite materials for enhanced biodegradability and photocatalytic activity", NEW J. CHEM. * |
| SHIWEI YAN ET AL.: "Integrated reduced graphene oxide/polypyrrole hybrid aerogels for simultaneous photocatalytic decontamination and water evaporation", APPLIED CATALYSIS B: ENVIRONMENTAL, pages 1 * |
| 齐立娟: "聚吡咯复合水凝胶的制备及其在微生物燃料电池中的性能研究", 中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑, pages 72 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116371379A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-07-04 | 陕西科技大学 | 一种rGO@PPy吸附-光热复合材料及其制备方法和应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wu et al. | Mxene-modulated dual-heterojunction generation on a metal-organic framework (MOF) via surface constitution reconstruction for enhanced photocatalytic activity | |
| Liang et al. | A review on gC 3 N 4 incorporated with organics for enhanced photocatalytic water splitting | |
| Khaing et al. | Fabrication of 2D–2D heterojunction catalyst with covalent organic framework (COF) and MoS2 for highly efficient photocatalytic degradation of organic pollutants | |
| Huang et al. | Polydopamine-based functional materials and their applications in energy, environmental, and catalytic fields: State-of-the-art review | |
| Chen et al. | Simultaneously enhanced photon absorption and charge transport on a distorted graphitic carbon nitride toward visible light photocatalytic activity | |
| Zhu et al. | The photo-, electro-and photoelectro-catalytic properties and application prospects of porous coordinate polymers | |
| Park | Visible and near infrared light active photocatalysis based on conjugated polymers | |
| AU2011270733B2 (en) | Spinel catalysts for water and hydrocarbon oxidation | |
| Wan et al. | A facile dissolution strategy facilitated by H2SO4 to fabricate a 2D metal-free g-C3N4/rGO heterojunction for efficient photocatalytic H2 production | |
| CN102698728A (zh) | 一种二氧化钛纳米管/石墨烯复合材料及其制备方法 | |
| CN113751047B (zh) | 一种共价有机框架-氮化碳纳米片杂化光催化析氢材料及其制备方法和应用 | |
| Guan et al. | Ti4O7/g-C3N4 visible light photocatalytic performance on hypophosphite oxidation: effect of annealing temperature | |
| CN112718009A (zh) | 一种pdi/mof异质结光催化剂及其制备方法与使用方法 | |
| Yan et al. | Uranium extraction by a graphene-based asymmetric electrode configuration through combined complexation, electro-adsorption, and photocatalytic reduction | |
| Zhang et al. | Highly catalytic selectivity for hydrogen peroxide generation from oxygen reduction on Nd-doped Bi4Ti3O12 nanosheets | |
| CN111203234B (zh) | 一种CdIn2S4纳米块/SnIn4S8片状堆集结构双功能复合光催化剂的制备方法 | |
| CN114870896A (zh) | 一种2d/2d光催化-光热复合材料及其制备方法和应用 | |
| Fang et al. | High-efficiency photoreduction of CO2 to solar fuel on alkali intercalated Ultra-thin g-C3N4 nanosheets and enhancement mechanism investigation | |
| Li et al. | 2D/2D ultrathin polypyrrole heterojunct aerogel with synergistic photocatalytic-photothermal evaporation performance for efficient water purification | |
| CN110586149B (zh) | 钼酸铋/碳化钛异质结二维光催化材料及其制备方法和应用 | |
| Xia et al. | Z-Scheme mechanism study of ternary BiPO 4/reduced graphene oxide/protonated gC 3 N 4 photocatalyst with interfacial electric field mediating for the effective photocatalytic degradation of tetracycline | |
| CN115090318B (zh) | 一种高比表面积分子间异质结氮化碳光催化剂的制备方法及其应用 | |
| CN115845888A (zh) | PbBiO2Br/Ti3C2复合催化剂的制备方法及其在光催化降解甲基橙中的应用 | |
| CN102553591B (zh) | 一种可见光响应的CuAl2O4-石墨烯光催化剂的制备与应用 | |
| Han et al. | Building a Z-scheme heterojunction with Keggin-type heteropolymer modified two-dimensional gC 3 N 4 for significant photocatalytic performance |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |