TiO2/石墨烯光催化復(fù)合材料的制備及應(yīng)用

滕洪輝 高 彬 高 澤（吉林師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 吉林四平 136000）

引言

二氧化鈦是研究應(yīng)用最廣泛的光催化劑。但是由于帶隙限制需要對(duì)其進(jìn)行改性，現(xiàn)有改性措施在促進(jìn)自然光催化活性方面作用有限，直到石墨烯的出現(xiàn)為光催化帶來(lái)了新的突破[1]。TiO2/石墨烯復(fù)合材料的制備方法主要有水熱法、溶劑熱法、溶膠-凝膠法等。

1 水熱法

水熱法是常用的制備TiO2/石墨烯光催化復(fù)合材料的方法。以鈦酸四丁酯為鈦源按照一定的比例與氧化石墨烯混合，攪拌均勻后，將混合液放入聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在高溫高壓下進(jìn)行水熱合成反應(yīng)。Chen[2]等在乙醇和去離子水的混合液中通過(guò)靜電紡絲耦合水熱法合成了依靠Ti-C和Ti-O-C鍵合的TiO2納米管/還原氧化石墨（TiO2/RGO）納米復(fù)合材料。Qin[3]等采用水熱法和旋涂法合成了石墨烯改性的二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合膜（GR-TiO2）。石墨烯的引入擴(kuò)大了TiO2納米棒陣列的光學(xué)響應(yīng)范圍，提高了光生電子空穴對(duì)的分離效率，從而大大提高了其光催化性能。Alamelu[4]等采用水熱法制備出了不同含量的石墨烯/TiO2納米復(fù)合材料。隨著氧化石墨烯的增加，吸收光譜發(fā)生明顯的紅移，與單純的TiO2相比，復(fù)合材料的光催化效率明顯提高。當(dāng)石墨烯的質(zhì)量比為10%，其效率比單純的TiO2納米顆粒高2.5倍?？梢?jiàn)，采用不同鈦源水熱法制備的不同形貌二氧化鈦/石墨烯復(fù)合材料復(fù)合度均較好[5]，提高了光生空穴和電子的分離效率，可利用光波長(zhǎng)范圍紅移擴(kuò)大。

2 溶劑熱法

Zhang[6]等人用GO（氧化石墨烯）和Ti(OBu4)（鈦酸四丁酯）為材料，采用乙醇溶劑熱法制備了RGO/TiO2納米光催化復(fù)合材料。陸乃彥[14]等人則是采用溶劑熱法制備了質(zhì)量比不同的RGO/TiO2納米復(fù)合材料，銳鈦礦相TiO2通過(guò)C-O-Ti鍵均勻地分布在還原氧化石墨烯片上。Yadav[7]等人同樣采用溶劑熱法合成TiO2-GO納米復(fù)合材料，與其他研究者不同，他們采用銳鈦礦型TiO2納米粒子和GO作為原料，分散在去離子水和乙醇的混合液中，于130℃較低溫度條件下反應(yīng)3h，通過(guò)改變GO用量制備出不同比例的TiO2-GO納米復(fù)合材料。Li[8]等則采用簡(jiǎn)單溶劑熱工藝合成了具有夾心結(jié)構(gòu)的RGO/TiO2復(fù)合光催化材料，比純的TiO2有更高的光催化活性，主要?dú)w因于這種夾心層結(jié)構(gòu)。Wang[9]等人以正丁醇為溶劑、TiF4為鈦源，通過(guò)簡(jiǎn)單的一鍋溶劑熱法合成路線在石墨烯納米片上生長(zhǎng){001}面主導(dǎo)的高質(zhì)量銳鈦礦型超薄納米片?，F(xiàn)有的溶劑熱法主要以醇類水溶液為溶劑，其中乙醇水溶液偏多，合成的復(fù)合材料不需要進(jìn)一步的高溫?zé)崽幚砭涂梢缘玫戒J鈦礦型二氧化鈦與石墨烯復(fù)合的材料，與水熱法相比，減少了因?yàn)闊崽幚韼?lái)的石墨烯摻雜量變化的干擾，能夠更準(zhǔn)確的分析復(fù)合材料摻雜比例的影響，為后續(xù)規(guī)?；苽涮峁?zhǔn)確數(shù)據(jù)支撐。而且，溶劑熱法制備的TiO2/石墨烯復(fù)合材料展現(xiàn)出更高的光催化活性。

3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是可以使反應(yīng)物在形成溶膠的過(guò)程中在分子水平上均勻的混合在一起。Cao等[10]以鈦酸四丁酯和氧化石墨烯為原料，首先采用酸催化的溶膠凝膠法制得TiO2/GO凝膠，凝膠老化一周后在60℃真空干燥24h，再經(jīng)過(guò)350℃煅燒2h即得到TiO2/GO復(fù)合光催化材料。Atout[11]等也以鈦酸四丁酯和氧化石墨烯為原料，用溶膠凝膠法耦合水熱法制備了TiO2/RGO納米復(fù)合材料，與單純的水熱法相比，制備的TiO2粒徑更小，在石墨烯表面分布更均勻，TiO2與RGO之間結(jié)合更緊密。Suave[12]等也采用溶膠凝膠耦合乙醇溶劑熱法，以異丙醇鈦鹽和GO為原料，制備了TiO2/RGO納米復(fù)合材料，與Atout[11]等的耦合方法不同，suave等是分兩步合成，先采用溶膠凝膠法制備氧化石墨烯和不定型的TiO2復(fù)合粉體，經(jīng)過(guò)烘干研磨后的復(fù)合粉體再分散到乙醇水溶液中，在160℃進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)16h，用于還原氧化石墨烯和晶化TiO2。除了上述的三種方法外還有其他的方法可以制備TiO2/石墨烯復(fù)合材料，例如自組裝法[12]等。但因其制備的手段及條件限制，所以在實(shí)際中很少應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

TiO2/石墨烯復(fù)合光催化劑能夠抑制光生載流子的復(fù)合，延長(zhǎng)光譜響應(yīng)范圍，提高了光催化效率。然而，研究者們?cè)谥苽浞椒ㄟx擇上還存在諸多不確定性，即使同一種方法使用不同原料或者合成工序變化也會(huì)帶來(lái)光催化性能的差異，如何尋找一種適宜的制備方法仍然是未來(lái)一段時(shí)間的研究熱點(diǎn)。