三維多孔石墨烯/二氧化鈦的制備及性能研究

摘 要：染料廢水通常具有極大的降解難度，通過光催化的方式，能夠?qū)⑦@些問題進(jìn)行有效的解決。本文重點(diǎn)運(yùn)用冷凍干燥以及水熱法等方式，對三維多孔石墨烯/二氧化鈦（GR/TiO2）光催化劑進(jìn)行制備。通過傅里葉紅外變換光譜儀、掃描電子顯微鏡等對樣品的詳細(xì)對照分析，在陽光下、紫外線以及避光的環(huán)境當(dāng)中，對該材料的光催化性能以及其吸附性能進(jìn)行了深入的研究。

關(guān)鍵詞：三維多空石墨烯；二氧化鈦；制備；性能研究

一、實(shí)驗(yàn)操作

（一）試劑與儀器

1.試劑：自制去離子水；分析純的氨水、無水乙醇、甲基橙；單層氧化石墨烯GO；TiO2（銳鈦礦，99.8%，20-30nm）。

2.儀器：Autosorb-IQ孔徑與表面分布儀；PESpectrum100傅里葉紅外變換光譜儀；S-4800型掃描電子顯微鏡；自制光催化反應(yīng)器；AL204-IC電子天平；UV759S 型紫外可見分光光度計(jì)；KH-50 水熱合成反應(yīng)釜；FD-1A-50 冷凍干燥機(jī)；KQ-250DE 型數(shù)控超聲波清洗器。

（二）三維多孔石墨烯/二氧化鈦的制備

在15mL 的去離子水當(dāng)中，放入20mg GO ，使其分散。之后進(jìn)行十五分鐘的低溫超聲處理，從而得出GO 溶液。在五毫升的無水乙醇當(dāng)中，加入六十毫克的二氧化鈦之后進(jìn)行的超聲處理，將溶液在其分散均勻之后加入GO 其中。通過氨水來進(jìn)行溶液PH 值的調(diào)節(jié)，調(diào)到九左右，進(jìn)而進(jìn)行的超聲處理。接著，在五十毫升聚四氟乙烯內(nèi)膽水熱反應(yīng)釜當(dāng)中加入這些混合溶液。在二百一十?dāng)z氏度溫度的條件下，進(jìn)行十二個小時的水熱反應(yīng)，使其自然冷卻到室溫條件下，生成圓柱形態(tài)的黑色水凝膠。利用去離子水對這些水凝膠進(jìn)行多次的清晰，在其干燥冷卻之后，就能夠得出三維多孔GR/TiO2 。

（三）性能分析與研究

1.樣品表征

運(yùn)用氮?dú)饷摳轿皆囼?yàn)以及UV-VisDRS 、FTIR 、TEM 、SEM 光譜儀進(jìn)行樣品的表征。

在對樣品的顯微形態(tài)進(jìn)行觀察的過程中，需要運(yùn)用電子顯微鏡對其外貌進(jìn)行掃描觀察。將溴化鉀與樣品混合進(jìn)行壓片處理，運(yùn)用傅里葉變換紅外光譜儀，對FTIR 光譜進(jìn)行測量，對該物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。將BaSI4 作為背景，針對樣品進(jìn)行可見光—紫外線漫反射的分析。通過運(yùn)用Autosorb-IQ 孔徑與表面分布儀，對復(fù)合光催化劑的孔徑分布以及比表面進(jìn)行分析測定。

2.吸附性能分析研究

針對形狀不同的復(fù)合材料，將其放置到甲基橙廢水當(dāng)中，實(shí)施暗吸附操作。在實(shí)驗(yàn)室制備出來的三維多孔石墨烯二氧化鈦通常為圓柱的形態(tài)。對復(fù)合材料進(jìn)行有效的磨碎與研粉，從而得出了粉末形態(tài)的光催化劑。切割這些復(fù)合材料，能夠得到大概為九立方厘米小顆粒狀的光催化劑。針對這些復(fù)合材料，將一些粉末狀、顆粒狀以及圓柱狀的復(fù)合材料放置到五十毫升的甲基橙廢水當(dāng)中，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 。在避光的環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行三十分鐘的磁力攪拌，使其實(shí)現(xiàn)吸附平衡。對其中的上層清液進(jìn)行提取。然后運(yùn)用可見光—紫外線分光光度計(jì)在四百六十三納米吸收峰位置的溶液吸光度進(jìn)行測量。對GR/TiO2 的吸附效率進(jìn)行運(yùn)算可以得出以下式子：

在上述式子當(dāng)中，Ct 為降解一定時期之后的甲基橙溶液濃度，而C0 為降解初期的甲基橙溶液濃度。在歸一化的階段中，甲基橙的吸光變化（A/A0 ）與濃度變化（C/C0 ）之間成正比的關(guān)系。

3.光催化性能分析研究

對納米二氧化鈦與二十毫克的顆粒形態(tài)GR/TiO2 光學(xué)催化劑進(jìn)行提取，將其放進(jìn)二十毫升的甲基橙廢水當(dāng)中，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20mg/L 。在黑暗無光的環(huán)境當(dāng)中，使其實(shí)現(xiàn)吸附平衡，然后在紫外線反應(yīng)系統(tǒng)自制（二十五瓦的紫外線，二百五十四納米，相距燈管十微米）以及日光照射（在天氣晴朗的戶外之中，時間段為中午十二點(diǎn)到下午一點(diǎn)）之下放置一個小時的時間，每間隔十分鐘的時間應(yīng)當(dāng)對其上層清液進(jìn)行提取。通過對可見光—紫外線分光光度計(jì)的運(yùn)用，對溶液的吸光程度進(jìn)行有效的測量。對于光催化效率，可以通過式子一來進(jìn)行運(yùn)算，其中，Ct 為降解一定時期之后的甲基橙溶液濃度，而C0 為降解初期的甲基橙溶液濃度。

二、結(jié)論探討

（一）通過運(yùn)用冷凍干燥以及水熱法來進(jìn)行三維多孔GR/TiO2 進(jìn)行制備，該復(fù)合材料將石墨烯作為其骨架，二氧化鈦以納米級的微小顆粒運(yùn)用化學(xué)鍵的形式在石墨烯骨架之上密集依附。

（二）三維多孔GR/TiO2復(fù)合光催化劑的比表面積為210.3m2/g ，其主要孔徑的長度為18.2納米。復(fù)合光催化劑材料的顆粒形態(tài)針對二氧化鈦的納米級別顆粒的吸附，從而對污染物有著非常強(qiáng)的吸附能力。

（三）在日光以及紫外線的照射之下，相較于納米接別顆粒狀二氧化鈦，三維多孔 的光催化效率有效的提升了31.5% 與21.4% 。將石墨烯引入其中，能夠使二氧化鈦的擴(kuò)寬光催化劑、比表面積的因修改能夠范圍得以擴(kuò)大，從而提供了光生電子的傳遞通道，有效減少了空穴與電子對復(fù)合。

（四）三維多孔GR/TiO2復(fù)合光催化劑材料的顆粒形態(tài)，在五次的回收與利用之后，依然具備十分優(yōu)異的光催化性能以及吸附性能，從而將二氧化鈦納米級微粒在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用問題得到了有效的解決。

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作者簡介：

陳怡志，1996，女，漢，四川，本科，西南科技大學(xué)，國防科技學(xué)院.