氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料及其制備方法和應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料及其制備方法和應用，該復合材料是以氧化石墨烯為載體，二氧化鈦納米針負載在氧化石墨烯表面。其制備方法包括制備氧化石墨烯分散液、制備鈦酸異丙酯的混合溶液以及將混合溶液與氧化石墨烯分散液混合進行溶劑熱反應。本發(fā)明的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料是一種結(jié)構(gòu)新穎的復合材料，具有穩(wěn)定的多級納米結(jié)構(gòu)、光捕獲能力強、光催化效率高等優(yōu)點，可用于降解亞甲基藍廢水，對亞甲基藍具有很高的降解效率，且光催化降解效果好，同時該材料的制備方法具有所需原料種類少、操作簡單、成本低等優(yōu)點。
【專利說明】
氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料及其制備方法和應用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有穩(wěn)定多級納米結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料及制備方法和應用。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化鈦是一種無毒、高效、化學性質(zhì)穩(wěn)定且價格低廉的光催化劑，在光催化降解難生化降解的有機污染廢水應用中引起了廣泛的關(guān)注。納米級二氧化鈦具有很高的降解效率，但是只能在紫外光區(qū)進行光催化反應，其光生電子的能力和空穴分離率都有待提高。為了提高納米級二氧化鈦的光催化性能，改變其應用形態(tài)和制備二氧化鈦復合材料已經(jīng)成為研究的發(fā)展趨勢。
[0003]石墨烯是近年來研究比較多的一種二維碳原子晶體材料，它具有良好的電學特性、非常優(yōu)越的導電性、化學穩(wěn)定性及較大的比表面積。在復合材料中，石墨烯能夠提供電子傳遞通道，提高了復合材料的光化學性能，從而提高了可吸收光的利用效率。但是，目前制備的石墨烯和納米二氧化鈦復合材料主要以球狀的形式存在，容易發(fā)生團聚，比表面積較小，光催化效率低。因此，制備結(jié)構(gòu)優(yōu)異的氧化石墨烯/二氧化鈦復合材料成為研究重點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有穩(wěn)定的多級納米結(jié)構(gòu)、光捕獲能力強、光催化效率高的氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料，還提供了一種所需原料種類少、操作簡單、成本低的氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料的制備方法和該氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料在降解亞甲基藍廢水中的應用。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料，所述氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料是以氧化石墨烯為載體，二氧化鈦納米針負載在氧化石墨烯表面。
[0006]上述的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料中，優(yōu)選的，所述二氧化鈦納米針垂直分布在氧化石墨稀表面；所述二氧化鈦納米針的直徑為10111]1?15111]1，長度為400111]1?500nm;所述氧化石墨稀和二氧化鈦納米針的質(zhì)量比為1:14.08?140.8。
[0007]作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種上述的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的制備方法，包括以下步驟:
51、將氧化石墨烯加入到乙二醇溶液中超聲，得到氧化石墨烯分散液；
52、將鈦酸異丙酯加入到濃鹽酸中，邊攪拌邊滴加超純水，得到混合溶液；
53、將步驟S2的混合溶液加入到步驟SI的氧化石墨烯分散液中，攪拌混合，進行溶劑熱反應，得到氧化石墨稀/ 二氧化鈦納米針復合材料。
[0008]上述的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟SI中，所述氧化石墨烯與所述乙二醇溶液的質(zhì)量體積為2mg?1mg: 20mL?50mL。
[0009]上述的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟S2中，所述鈦酸異丙酯、濃鹽酸和超純水的比值為0 ? 5g?1 ? Og: 5mL?lOmL: lOmL?15mL。
[0010]上述的制備方法中，優(yōu)選的，所述氧化石墨烯與所述鈦酸異丙酯的質(zhì)量比為1:50 ?500〇[0〇11] 上述的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟S1中所述超聲的時間為60min?120min;所述步驟S3中:所述攪拌的轉(zhuǎn)速為1000r/min?1500r/min;所述溶劑熱反應的溫度為100°C? 150°C，時間為 10h ?15h。
[0012]上述的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟S3中所述溶劑熱反應完成后還包括離心、洗滌和烘干處理;所述離心的轉(zhuǎn)速為3000r/min?5000r/min;所述洗滌采用超純水進行，洗滌的次數(shù)為3?5次;所述烘干的溫度為50°C?70°C，時間為8h?12h。
[0013]作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種上述的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料或上述的制備方法制得的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料在降解亞甲基藍廢水中的應用，包括以下步驟:將所述氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料加入到亞甲基藍廢水中進行光催化降解，完成對亞甲基藍廢水的處理;所述氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的添加量為每l〇〇mL亞甲基藍廢水中添加氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料20mg?40mg。[0〇14] 上述的應用中，優(yōu)選的，所述亞甲基藍廢水的濃度為5mg/L?20mg/L;所述光催化降解的時間為〇.5h?2h。
[0015]本發(fā)明中所提到的“二氧化鈦納米針垂直分布在氧化石墨烯表面”不僅限于二氧化鈦納米針與氧化石墨稀表面呈90°夾角，還包括1°?89°范圍內(nèi)的任意夾角。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:1、本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)異的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料，以氧化石墨稀為載體，二氧化鈦納米針垂直分布在氧化石墨稀表面，這種穩(wěn)定的多級納米結(jié)構(gòu)，有利于高效地捕獲能態(tài)密度低的太陽光，并且二氧化鈦納米針能實現(xiàn)光生載流子的高效分離，有利于提高光催化效率。本發(fā)明中，二氧化鈦納米針均勻的垂直生長在氧化石墨烯表面，結(jié)構(gòu)均一；同時，超細的二氧化鈦納米針，具有較大的長徑比，光生電子和空穴能夠快速的空間定向分離，且光生電子快速的傳遞到氧化石墨烯上，空穴在二氧化鈦納米針上，從而實現(xiàn)光生載流子的高效分離?？梢?，本發(fā)明將氧化石墨烯和二氧化鈦納米針材料復合，其獨特的光生電子和空穴分離方式能在較短時間內(nèi)實現(xiàn)降解和凈化;而且利用氧化石墨烯提供的電子傳遞通道，不僅延長了光催化反應中電子和空穴的分離時間，且提高了復合材料的光化學性能，從而提高了可吸收光的利用效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料是一種結(jié)構(gòu)新穎的復合材料，具有穩(wěn)定的多級納米結(jié)構(gòu)、光捕獲能力強、光催化效率高等優(yōu)點。
[0017]2、本發(fā)明還提供了一種氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的快速制備方法， 具有所需原料種類少、操作簡單、時間短、能耗低、成本低等優(yōu)點。
[0018]3、本發(fā)明的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料可用于光催化降解亞甲基藍廢水，對亞甲基藍具有很高的降解效率，光催化降解效果好。【附圖說明】
[0019]圖1為本實施例1中使用的氧化石墨烯的掃描電鏡(SEM)圖。
[0020]圖2為在不加氧化石墨烯的情況下單獨制備的二氧化鈦納米針的掃描電鏡(SEM)圖。
[0021]圖3為本實施例1中制得的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的掃描電鏡 (SEM)圖。
[0022]圖4為本實施例2中制得的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的X射線衍射 (XRD)圖譜。[〇〇23]圖5為本實施例3中氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料對亞甲基藍的光催化降解效果圖。[〇〇24]圖6為本實施例4中氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料對不同濃度亞甲基藍的光催化降解效果圖?！揪唧w實施方式】
[0025]以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。
[0026]以下實施例中所采用的材料和儀器均為市售。[〇〇27] 實施例1一種本發(fā)明的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料，以氧化石墨烯為載體，二氧化鈦納米針垂直分布在氧化石墨稀表面，其中二氧化鈦納米針直徑為l〇nm?15nm，長度為400nm ?500nm;氧化石墨稀和二氧化鈦納米針的質(zhì)量比為1:140.8。
[0028] —種上述本實施例的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的制備方法，包括如下步驟:(1)將2mg氧化石墨稀加入到20mL乙二醇溶液中，超聲lOOmin使其分散均勾，制得氧化石墨烯分散液，其中氧化石墨烯分散液的濃度為0.lg/L。[〇〇29](2)將l.0g鈦酸異丙酯加入到5mL、質(zhì)量濃度為36.5%的濃鹽酸中，邊攪拌邊加1511^超純水，得到混合溶液。
[0030](3)將步驟(2)制得的混合溶液加入到步驟(1)中的氧化石墨烯分散液中，磁力攪拌器上混合攪拌，轉(zhuǎn)速為l〇〇〇r/min，在120 °C下進行溶劑熱反應，反應時間為15h，氧化石墨烯與鈦酸異丙酯的質(zhì)量比為1:500。
[0031](4)將步驟(3)中溶劑熱反應完成后得到的反應產(chǎn)物自然冷卻，于轉(zhuǎn)速為4000r/ min下進行離心，然后采用超純水洗滌3次，最后在溫度為60 °C下干燥10h，得到氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料。
[0032]圖1為本實施例中使用的氧化石墨烯的掃描電鏡(SEM)圖。如圖1所示，本發(fā)明中使用的氧化石墨烯呈現(xiàn)薄且扭曲結(jié)構(gòu)，具有較大比表面積，這有利于二氧化鈦納米針的附著。 [〇〇33]圖2為在不加氧化石墨烯的情況下單獨制備的二氧化鈦納米針的掃描電鏡(SEM) 圖。如圖2所示，在不加氧化石墨烯的情況下，單獨制備的二氧化鈦納米針容易團聚形成球狀。
[0034]圖3為本實施例制得的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的掃描電鏡(SEM) 圖。如圖3所示，本發(fā)明的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料，以氧化石墨烯為載體，二氧化鈦納米針均勻垂直分布在扭曲的氧化石墨烯表面，呈仙人掌結(jié)構(gòu)，是穩(wěn)定的多級納米結(jié)構(gòu)，其中分布在氧化石墨稀表面的二氧化鈦納米針直徑為lOnm?15nm，長度為400nm? 500nm。這種穩(wěn)定的多級納米結(jié)構(gòu)，有利于高效地捕獲能態(tài)密度低的太陽光，并且二氧化鈦納米針能實現(xiàn)光生載流子的尚效分尚，有利于提尚光催化效率。
[0035]實施例2一種本發(fā)明的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料，以氧化石墨烯為載體，二氧化鈦納米針垂直分布在氧化石墨稀表面，其中二氧化鈦納米針直徑為l〇nm?15nm，長度為400nm ?500nm;氧化石墨稀和二氧化鈦納米針的質(zhì)量比為1:14.08。
[0036]—種上述本實施例的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的制備方法，包括如下步驟:(1)將10mg氧化石墨稀加入到20mL乙二醇溶液中，超聲lOOmin使其分散均勾，制得氧化石墨烯分散液，其中氧化石墨烯分散液的濃度為0.5g/L。[〇〇37](2)將0.5g鈦酸異丙酯加入到5mL、質(zhì)量濃度為36.5%的濃鹽酸中，邊攪拌邊加1511^超純水，得到混合溶液。[〇〇38](3)將步驟(2)制得的混合溶液加入到步驟(1)的氧化石墨烯分散液中，磁力攪拌器上混合攪拌，轉(zhuǎn)速為l〇〇〇r/min，在120 °C下進行溶劑熱反應，反應時間為15h，氧化石墨烯與鈦酸異丙酯的質(zhì)量比為1:50。
[0039](4)將步驟(3)中溶劑熱反應完成后得到的反應產(chǎn)物自然冷卻，于轉(zhuǎn)速為4000r/ min下離心，采用超純水洗滌3次，在60°C下干燥10h，即得氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料。
[0040]圖4為本實施例制得的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的X射線衍射(XRD) 圖譜。如圖4所示，氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料與單獨二氧化鈦納米針具有相同的衍射峰，也就是說氧化石墨烯并不影響二氧化鈦納米針的結(jié)構(gòu)，二氧化鈦納米針均勻的分散在了氧化石墨烯表面。[〇〇41 ] 實施例3一種本發(fā)明的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料在降解亞甲基藍廢水中的應用， 包括以下步驟:將20mg本發(fā)明實施例1制備的氧化石墨稀/二氧化鈦納米針復合材料加入到50mL濃度為20mg/L的亞甲基藍溶液中，混合分散均勻，然后在150W的高壓氙燈模擬太陽光照射，每隔 10min取lmL樣品出來，離心后取上層清夜通過紫外可見分光光度計測定654nm出的吸光度來確定殘余的亞甲基藍濃度，經(jīng)過2h的光催化降解，從而得到氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料光催化降解亞甲基藍的降解效果。以不加氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料做空白對照。[〇〇42]圖5為本實施例中氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料對亞甲基藍的光催化降解效果圖。如圖5所示，經(jīng)過2h的光催化降解，本發(fā)明制備的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料對于20mg/L的亞甲基藍溶液的光催化降解效率達到97.3%，對比不加氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料，具有很高的降解效率。因此，本發(fā)明制備的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料對亞甲基藍具有很好的光催化降解效果。
[0043] 實施例4一種本發(fā)明的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料在降解亞甲基藍廢水中的應用，包括以下步驟:將20mg本發(fā)明實施例1制備的氧化石墨稀/二氧化鈦納米針復合材料加入到50mL濃度分別為5mg/L、10mg/L、20mg/L的亞甲基藍溶液中，混合分散均勻，然后在150W的高壓氙燈模擬太陽光照射，每隔lOmin取lmL樣品出來，離心后取上層清夜通過紫外可見分光光度計測定654nm出的吸光度來確定殘余的亞甲基藍濃度，經(jīng)過2h的光催化降解，從而得到氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料光催化降解不同濃度亞甲基藍的降解效果。
[0044]圖6為本實施例中氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料對不同濃度亞甲基藍的光催化降解效果圖。如圖6所示，經(jīng)過2h的光催化降解，本發(fā)明制備的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料對于濃度分別為5mg/L、10mg/L、20mg/L的亞甲基藍溶液最后的光催化降解效率分別達到99.1%、98.7%、97.3%，且對于5mg/L、10mg/L的亞甲基藍溶液分別在30min、 60min就已經(jīng)完成了光催化降解，完成降解所需時間短。
[0045]綜上所述，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)異的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料， 以氧化石墨稀為載體，二氧化鈦納米針垂直分布在氧化石墨稀表面，這種穩(wěn)定的多級納米結(jié)構(gòu)，有利于高效地捕獲能態(tài)密度低的太陽光，并且二氧化鈦納米針能實現(xiàn)光生載流子的尚效分尚，有利于提尚光催化效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的氧化石墨稀/^■氧化欽納米針復合材料是一種結(jié)構(gòu)新穎的復合材料，具有穩(wěn)定的多級納米結(jié)構(gòu)、光捕獲能力強、光催化效率高等優(yōu)點;本發(fā)明的制備方法能夠快速制備氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料，具有所需原料種類少、操作簡單、成本低等優(yōu)點；同時本發(fā)明的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料對亞甲基藍具有很高的降解效率，光催化降解效果好。
[0046]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例。凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應該指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下的改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料，其特征在于，所述氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料是以氧化石墨烯為載體，二氧化鈦納米針負載在氧化石墨烯表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料，其特征在于，所述二氧化鈦納米針垂直分布在氧化石墨稀表面;所述二氧化鈦納米針的直徑為1nm?15nm，長度為400nm?500nm ；所述氧化石墨稀和二氧化鈦納米針的質(zhì)量比為1: 14.08?140.8。3.—種如權(quán)利要求1或2所述的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、將氧化石墨烯加入到乙二醇溶液中超聲，得到氧化石墨烯分散液； 52、將鈦酸異丙酯加入到濃鹽酸中，邊攪拌邊滴加超純水，得到混合溶液； 53、將步驟S2的混合溶液加入到步驟SI的氧化石墨烯分散液中，攪拌混合，進行溶劑熱反應，得到氧化石墨稀/ 二氧化鈦納米針復合材料。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟SI中，所述氧化石墨烯與所述乙二醇溶液的質(zhì)量體積為2mg?I Omg: 2 OmL?5 OmL。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中，所述鈦酸異丙酯、濃鹽酸和超純水的比值為0.5g?1.0g: 5mL?1mL:1OmL?15mL。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述氧化石墨烯與所述鈦酸異丙酯的質(zhì)量比為1:50?500。7.根據(jù)權(quán)利要求3?6中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述步驟SI中所述超聲的時間為60min?120min;所述步驟S3中:所述攪拌的轉(zhuǎn)速為1000r/min?1500r/min;所述溶劑熱反應的溫度為100 °C?150 0C，時間為1h?15h。8.根據(jù)權(quán)利要求3?6中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S3中所述溶劑熱反應完成后還包括離心、洗滌和烘干處理;所述離心的轉(zhuǎn)速為3000r/min?5000r/min;所述洗滌采用超純水進行，洗滌的次數(shù)為3?5次;所述烘干的溫度為50°C?70°C，時間為Sh?12h09.一種如權(quán)利要求1或2所述的氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料或權(quán)利要求3?8中任一項所述的制備方法制得的氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料在降解亞甲基藍廢水中的應用，其特征在于，包括以下步驟:將所述氧化石墨烯/二氧化鈦納米針復合材料加入到亞甲基藍廢水中進行光催化降解，完成對亞甲基藍廢水的處理;所述氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料的添加量為每10mL亞甲基藍廢水中添加氧化石墨烯/ 二氧化鈦納米針復合材料20mg?40mg。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應用，其特征在于，所述亞甲基藍廢水的濃度為5mg/L?20mg/L;所述光催化降解的時間為0.5h?2h。
【文檔編號】B82Y30/00GK106076303SQ201610490530
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】胡亮, 賴萃, 曾光明, 陳桂秋, 萬佳, 張書渠, 郭志, 黃真真, 何凱, 吳靜, 劉微微
【申請人】湖南大學