石墨烯/二氧化钛复合材料的制备与光学性能的研究

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作为一种宽带隙半导体,二氧化钛由于其强氧化能力,热力学稳定性、无毒性和相对低的成本,被视为最好的光催化材料之一。但是,二氧化钛光生电子-空穴对的复合概率高和对占太阳光95%的可见光吸收率低,这两大问题严重限制着二氧化钛的实际应用[1]。到目前为止,大量实验研究表明金属和非金属掺杂,贵金属沉积等方法都可以有效地提高二氧化钛的光催化效率。其中,非金属元素C及其衍生物如碳纳米管、石墨烯等与二氧化钛复合材料效果明显[2-5]。石墨烯是二维碳原子结构,电子迁移率理论值高达200000 cm2V-1s-1,同时拥有超大的比表面积(理论值约为2600 m2 g-1),得到了大量研究者的关注[6,7]。本实验选择氧化石墨烯(GO)和二氧化钛(TiO2)溶胶作为前驱物,制备RGO/TiO2的复合粉体材料与薄膜材料,通过XRD、SEM、UV-vis、XPS等表征方法对所制各样品进行表征,通过降解一定浓度甲基橙研究掺杂不同浓度的还原性氧化石墨烯RGO对TiO2光催化活性的影响。一系列RGO/TiO2复合薄膜的亲水性研究通过接触角的测量来实现。  (1)采用改良Hummers法制备GO,并借助超声辅助,得到层数较少、层间距大的氧化石墨烯(GO)。化学溶胶—凝胶法制备TiO2溶胶,通过水热合成法制备还原性石墨烯氧化物与二氧化钛复合粉体RGO/TiO2,并在空气环境450℃煅烧30分钟。通过不同掺杂质量分数的复合粉末的光催化实验发现,GO掺杂含量为5wt%的样品光催化性最好,是纯TiO2的2.5倍。降解速率增大一方面是由于水热合成法可以将GO还原,并实现与TiO2的复合;另一方面是因为煅烧过程的重要性,不仅没有将RGO全部煅烧,还可以减小复合粉末中TiO2晶粒大小。水热合成和煅烧过程共同作用增强RGO和TiO2之间相互作用力。  (2)在TiO2溶胶中掺杂不同摩尔浓度的GO制备GO/TiO2溶胶,经过陈化后的凝胶通过提拉法和旋涂法在基片上镀膜,对比测试结果发现,复合薄膜亲水性和光催化性两大光学性能均有所提高,其中5% mol/l的RGO/TiO2薄膜亲水性最好,而光催化活性最强的掺杂浓度是1% mol/l。  (3)本实验需用水合肼作为还原剂,还原GO得到RGO。与TiO2溶胶掺杂制备RGO/TiO2纳米薄膜,紫外灯照射复合薄膜光催化性有所改善,最佳掺杂浓度是5% mol/l。掺杂浓度为1% mol/l的样品,吸收光谱发生了明显的“红移”现象,亲水性增强。通过离子层吸附和反应技术在RGO/TiO2薄膜沉积Ag后,得到Ag/RGO/TiO2复合薄膜。银掺杂后,薄膜的光催化性能与RGO/TiO2复合薄膜相比光降解速率没有出现明显的增强,但是亲水性效果明显,可见光照射疏水状态的Ag/RGO/TiO2复合薄膜,薄膜表面与水滴的接触角度数变化较大。
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