TiO2-graphene基復(fù)合材料的制備及其在染料污水凈化中的應(yīng)用研究.pdf

1、二氧化鈦（TiO2）因其穩(wěn)定、易得、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保而成為一種備受關(guān)注的光催化劑。但是，TiO2的光生電子-空穴對能帶較寬（大約3.2 eV）且復(fù)合迅速，導(dǎo)致其可見光利用效率低。研究表明，TiO2與適當(dāng)?shù)钠渌M分（如一些金屬單質(zhì)及其化合物，氮、硫等非金屬單質(zhì)）構(gòu)成的復(fù)合材料可以抑制光生電子-空穴的復(fù)合，同時(shí)提高對可見光的吸收利用。
　　石墨烯（Graphene）是一種由單層sp2雜化碳原子組成的二維蜂巢形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳基材料，其中還原氧化

2、石墨烯（rGO）和三維石墨烯氣凝膠（GA）具有較大的比表面積、豐富的孔結(jié)構(gòu)、良好的電荷流動性和電傳導(dǎo)性。因此，自從它們被發(fā)現(xiàn)以來就激起了眾多研究者的興趣，其單質(zhì)及相應(yīng)復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化和光催化性能。
　　本論文先后制備了不同配比的TiO2-GA、g-C3N4-TiO2-GA、Fe2O3-TiO2-GA、TiO2-rGO及Ag-TiO2-rGO復(fù)合材料；利用XRD、FT-IR、DR UV-Vis、Raman、SEM、TEM

3、、XPS、N2 adsortion-desorption、TG等分析手段對所制材料進(jìn)行了較系統(tǒng)的表征，詳盡考察了它們在吸附及可見光下催化降解羅丹明B（RhB）時(shí)的性能，并探究了其光催化反應(yīng)機(jī)理。主要工作如下：
　　（1）以鈦酸丁酯（butyl titanate）和氧化石墨烯（GO）為原料，采用直接水熱合成法結(jié)合冷凍干燥技術(shù)制備了不同配比的TiO2-GA復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)， TiO2-GA仍保持著GA的宏觀柱狀三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)銳鈦礦晶

4、相的 TiO2納米顆粒較均勻地分散于GA骨架中。該類復(fù)合材料具有較高的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，其中TiO2-GA(5)呈現(xiàn)出最大的比表面積（SBET=409.0m2g-1）和總孔容（Vp=0.512 cm3 g-1），并呈現(xiàn)出的最佳吸附和光催化性能：在本論文實(shí)驗(yàn)條件下（室溫，5 mg所制復(fù)合材料，25 mL20 mg L-1的RhB溶液），在180 min內(nèi)RhB的總?cè)コ矢哌_(dá)98.7％，吸附及光催化反應(yīng)使用四次后，RhB去除率仍達(dá)到7

5、2.0%。
　?。?）以三聚氰胺（tripolycyanamide）為原料，采用熱分解法制備了類石墨相氮化碳（g-C3N4），將其超聲分散于上述制備 TiO2-GA(5)的前驅(qū)液中，采用上述水熱和冷干工藝成功制備出具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)、不同配比的g-C3N4-TiO2-GA三元復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，該類復(fù)合材料仍為宏觀柱狀三維結(jié)構(gòu)，銳鈦礦晶相 TiO2和g-C3N4皆均勻分散于GA中。同時(shí)，g-C3N4的引入極大地提高了TiO2-GA對Rh

6、B的凈化性能，其中g(shù)-C3N4-TiO2-GA(5%)性能最佳，在其作用下，在60 min內(nèi)RhB的總?cè)コ矢哌_(dá)98.4%，連續(xù)使用4次，RhB去除率仍能達(dá)到75.6%。
　?。?）以硝酸鐵（ferric nitrate）為鐵源，將其溶液加于上述制備TiO2-GA(5)的前驅(qū)液中，采用上述水熱和冷干工藝成功制備出具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)、不同配比的Fe2O3-TiO2-GA三元復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，該類復(fù)合材料仍為宏觀柱狀三維結(jié)構(gòu)，銳鈦礦晶相T

7、iO2和Fe2O3納米粒子較均勻地分散于GA中。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，該類復(fù)合材料呈現(xiàn)出更為優(yōu)異的吸附性能，其中，F(xiàn)e2O3-TiO2-GA(30%)在60 min內(nèi)對RhB的吸附率高達(dá)95.0%。在可見光照射情況下，F(xiàn)e2O3-TiO2–GA(25%)呈現(xiàn)出最佳的凈化效果，在其作用下，在60 min內(nèi)RhB的總?cè)コ矢哌_(dá)97.7%，第4次使用后RhB去除率仍能達(dá)到81.8%。
　?。?）以鈦酸丁酯（butyl titanate）為

8、原料、P123為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，采用水熱合成法制備了球形銳鈦礦晶相的TiO2介孔納米材料，將其超聲分散于GO溶液中，采用冰晶模板法結(jié)合焙燒工藝制備了不同配比的TiO2-rGO復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)， TiO2較均勻地分散于rGO中。相對于單純TiO2，該復(fù)合材料對RhB呈現(xiàn)出明顯增強(qiáng)的吸附性能和可見光光催化降解活性，其中TiO2-rGO(20)性能最佳，在其作用下320 min內(nèi)對RhB的吸附率為66.7%，在可見光照射情況下，RhB總?cè)コ蔬_(dá)

9、到81%，第4次使用后RhB去除率仍高達(dá)初始值的91.8%。
　　（5）以硝酸銀（silver nitrate）為原料，將其乙醇溶液分散于GO溶液中，采用紫外光照射還原并結(jié)合上述冰晶模板法及焙燒工藝制備了不同配比且具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 Ag-TiO2-rGO復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，由于 Ag單質(zhì)顆粒較大，對TiO2-rGO孔道堵塞嚴(yán)重，該類復(fù)合材料對 RhB的吸附性能反而不如相應(yīng)TiO2-rGO，但Ag單質(zhì)的引入在一定程度上增強(qiáng)了其光催化降