TiO2/氧化石墨烯復合材料的合成及光催化性能研究

2013-10-21 曹春華 江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院

　　以自制氧化石墨、鈦酸丁酯為主要原料，用溶膠-凝膠法制備了TiO2/氧化石墨烯(TiO2/GO)復合材料，采用TEM、XRD對其進(jìn)行表征。以活性艷紅X-3B溶液為模擬廢水，研究了該復合材料的光催化降解性能，考察了氧化石墨烯含量、染料初始濃度、催化劑用量等因素對其光催化降解率的影響。

　　結果表明：氧化石墨烯片層上均勻負載著(zhù)銳鈦礦型的TiO2球形顆粒，粒徑在10 nm左右;當TiO2/GO復合材料中加入的GO含量為100 mg時(shí)光催化活性最好，比相同條件下純TiO2和TiO2與氧化石墨物理混合物的光催化活性有明顯提高;相同條件下，降解率隨溶液初始濃度的升高而降低，催化劑用量存在最佳值，100 mg/L的活性艷紅X-3B溶液，催化劑用量的最佳值為0.8 g/L，反應60 min后其降解率可達96%。

　　納米TiO2具有化學(xué)性質(zhì)穩定、耐光腐蝕及較強的光催化氧化能力等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于光催化降解各種污染物，引起了眾多研究者的重視。但純TiO2存在光催化量子效率低的問(wèn)題。氧化石墨烯(GO)具有非常優(yōu)越的吸附性能，能與許多金屬和金屬氧化物復合得到性能優(yōu)異的復合材料，因為GO碳層上富含環(huán)氧基、羥基、羧基等官能團，為GO 提供了反應活性點(diǎn)，同時(shí)這些含氧官能團的親水性使其能在水中形成穩定的膠狀分散體系，對于提高GO 復合材料在水中的分散性極其有利。

　　真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)發(fā)布的此文利用GO與TiO2復合來(lái)提高納米TiO2 的光催化活性。對TiO2/氧化石墨烯(TiO2/GO)復合材料的微觀(guān)結構和形貌進(jìn)行了表征，并以活性艷紅X-3B 為處理對象，研究了不同條件對這種復合材料光降解性能的影響。

　　1、實(shí)驗部分

　　1.1、試劑及儀器

　　1.1.1、試劑鈦酸丁酯(簡(jiǎn)稱(chēng)TBOT，CR，天津福晨化學(xué)試劑廠(chǎng))、天然石墨(80 目)，其他主要試劑有濃硫酸(H2SO4)、高錳酸鉀(KMnO4)、30%過(guò)氧化氫(H2O2)、無(wú)水乙醇(EtOH)、鹽酸(HCl)，均為市售分析純，活性艷紅X-3B 為市售，實(shí)驗用水為二次蒸餾水。

　　1.1.2、儀器JEM-2010 型透射電鏡，日本JEOL公司;D8 Advance 型X 射線(xiàn)粉末衍射儀，德國B(niǎo)ruker 公司;TU-1810 型紫外可見(jiàn)分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司;85-1型恒溫磁力攪拌器，常州國華電器有限公司;80-2型離心沉淀機，鞏義市英峪予華儀器廠(chǎng);SB25-12DT型超聲清洗器;馬弗爐;GYF型400W高壓汞燈，飛利浦亞明照明有限公司。

　　1.2、GO的制備

　　采用Hummers法制備氧化石墨。在干燥的大燒杯中加入230 mL 濃硫酸，用冰水浴冷卻至0 ℃，攪拌下緩慢加入10 g 天然石墨和30 gKMnO4，控制反應液溫度在4 ℃左右，攪拌反應2 h，在35 ℃左右恒溫水浴中繼續攪拌30 min，緩慢加入水460 mL，并控制反應液溫度在100 ℃以?xún)�，繼續攪拌30 min;用水稀釋至1 000 mL 后再加適量H2O2(5%)，趁熱過(guò)濾，分別用5% HCl、蒸餾水和無(wú)水乙醇洗滌至濾液為中性，于60 ℃下真空干燥24 h，研磨后密封保存備用。然后取一定量制備好的氧化石墨(20、60、100、140、180 mg)與一定量的無(wú)水乙醇混合，超聲剝離1 h，得到含量不同的GO分散液。

　　1.3、TiO2/GO復合光催化劑的制備

　　以GO 和TBOT為主要原料，用溶膠-凝膠法制TiO2/GO 復合光催化劑。把含有一定量TBOT的乙醇溶液放置于容器中，將上述含量不同的GO無(wú)水乙醇分散液滴加到TBOT的乙醇溶液中，磁力攪拌均勻后再逐滴滴加鹽酸、蒸餾水，其中各物質(zhì)的物質(zhì)的量之比為n(TBOT)∶n(EtOH)∶n(H2O)∶n(HCl)=1∶22∶3∶0.08，持續攪拌反應得淺黑色溶膠，靜置形成淺黑色凝膠，陳化數日，洗滌干燥后在350 ℃下焙燒2 h，研磨，得到GO不同含量的TiO2/GO 復合材料。為對比，用相同方法和條件制備純TiO2。

　　1.4、光催化降解活性艷紅X-3B性能測試

　　光催化反應在自制裝置中進(jìn)行。取一定量光催化劑加入100 mL一定濃度的活性艷紅X-3B溶液(pH = 5.5)中，磁力攪拌使催化劑分散均勻，在暗處攪拌30 min后達到吸附平衡，再置于400 W高壓汞燈下，光源距離液面約15 cm，紫外燈預熱5 min后進(jìn)行反應，每隔一定時(shí)間取樣一次，離心分離后取上層清液，在541 nm處測定其吸光度的變化，根據吸光度-濃度標準曲線(xiàn)求對應濃度，并計算活性艷紅X-3B的降解率(η) ：

TiO2/氧化石墨烯復合材料的合成及光催化性能研究

　　其中c0 為吸附平衡時(shí)活性艷紅X-3B 的濃度，ct為反應時(shí)間為t 時(shí)活性艷紅X-3B的濃度。

　　結論

　　利用GO上負電性的含氧基團對金屬離子的靜電吸引作用，采用溶膠-凝膠法在常溫常壓下成功制備出TiO2/GO 復合材料，材料的XRD、TEM表征分析顯示GO片層上均勻負載著(zhù)銳鈦礦型的TiO2球形顆粒，粒徑在10nm左右。GO用量為100 mg時(shí)，TiO2/GO 復合材料的光催化活性最好，比相同條件下純TiO2和TiO2與氧化石墨物理混合物的光催化活性有明顯提高;相同條件下，降解率隨染料溶液初始濃度的升高而降低，催化劑用量存在最佳值，100 mg/L 的活性艷紅X-3B溶液，催化劑用量的最佳值為0.8 g/L，反應60 min后其降解率可達96%。