石墨烯基磁性复合可见光催化材料Fe₃O₄-G-TiO₂的制备方法

专利名称：石墨烯基磁性复合可见光催化材料Fe₃O₄-G-TiO₂的制备方法
技术领域：
本发明用于水处理技术应用领域，具体涉及一种石墨烯(G)基磁性复合可见光催化材料Fe3O4-G-TiO2的制备方法。
背景技术：
如何提高光催化材料对太阳光的利用率是近年来的研究热点。在达到地球的太阳光中，可见光的光能占整体太阳光能量的46%，而紫外光只有5%。能有效吸收可见光能力的光催化材料的带隙能只能在3. lev以下。两种方法可以实 现光催化材料对可见光的利用一种是在已有紫外光催化材料上负载或者掺杂某种元素，使复合材料能够被可见光激发，这种元素降低了原有材料的带隙能；第二种方法是直接制备能够利用可见光的窄带隙能的材料。紫外光下催化效率很高的TiO2有比较宽的带隙能(金红石为3. 03ev，锐钛矿为
3.18ev),只能吸收很少部分的可见光，并且在水处理中较难分离，不能达到高效重复利用。如何提高TiO2在太阳光下的催化效率，降低耗电成本，并且能够方便回收再利用是近年来针对TiO2的研究热点。(I)石墨烯的性质
有关石墨烯(Graphene, G)的实验研究,40多年前就已经开始,但是一直到2004年英国曼彻斯特大学物理教授Geim等用机械剥离法成功制备石墨烯，才逐渐成为近年来的研究热点。石墨烯G是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维结构，具有优异的物理化学性质。石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g，并且含有大量可自由移动的η电子，可以和苯环形成强烈的电子堆积作用，已经被认为是良好的吸附剂或者分离材料。石墨烯及其衍生物具有二维的平面结构、大表面积、开放的孔结构、柔韧性、化学稳定性以及很高的导电能力，同时通过化学氧化法制备的氧化石墨烯GO和还原氧化石墨烯RGO含有一定量的含氧官能团，这些特性使得GO和RGO成为固定无机纳米颗粒的良好载体。(2 ) G (GO) -TiO2复合光催化材料研究进展
近年来，有关G (GO) -TiO2复合材料的制备和在光催化反应中应用的报道有很多。Jiang等利用原位沉淀法制备了 GO-TiO2复合材料降解甲基橙，发现复合材料比商用TiO2 P25有更高的光催化活性。Liang等也利用亚甲基蓝证明了此结论。TiO2在可见光下的催化效率极低，而Zhang等制备的G-TiO2则提高了在可见光下的催化效率，和商用TiO2 P25相比，对亚甲基蓝的可见光催化去除效率从10%提高到了 70%。不同的制备方法制成的复合材料的光催化性能也有所不同。提高二氧化钛在可见光下的催化活性是近年来的研究热点，但是对其机理解释尚未定论。Min和Wang等利用在强酸条件下改性的GO和TiO2合成的复合材料,不仅提高了在紫外光下对亚甲基蓝的去除效率，而且比用未改性GO直接制成的合成材料有更好的可见光催化活性。原因是改性后的GO和TiO2形成了 T1-C和T1-O-C键。Chen等人也制备出了可以提高可见光催化活性的GO-TiO2复合材料，但是解释完全不同。利用GO和TiCl3作为前驱体，并加入十二烧基磺酸钠，通过GO形成p/n型半导体,从而在复合材料中形成p/n异质结，所以复合材料会被>5IOnm的可见光激活。Luisa利用液相沉淀和后热还原方法制备了 RGO-TiO2复合材料，并以典型药物污染物作为目标污染物来考察材料在紫外光和可见光下的催化活性。研究发现污染物的原体去除率和矿化度均非常高，同时认为在紫外光下的空穴在氧化过程中起主要作用，而在可见光下激发电子也有着非常重要的作用。通过检测手段发现在紫外光和可见光下，GO分别是TiO2的电子受体和电子供体。总之，GO- TiO2的界面性质的不同从而降低空穴和电子的复合效率，提高TiO2在可见光下的催化活性。综述可见，G(GO)-TiO2光催化材料的制备以及提高光催化效率的机理研究是后续研究的重点。但是在水处理中，光催化材料的快速分离以及回收利用也是值得考虑的重点，而磁性光催化材料的制备以及应用是解决此问题的方法之一。(3) Fe3O4-G (GO)复合吸附材料研究进展
磁性纳米颗粒和石墨烯复合能够拓展材料的应用范围，同时由于磁性颗粒的空间间隔效应能够阻止石墨烯片层之间的聚集或堆积。Fe3O4-G(GO)吸附材料的制备方法有多种，主要有利用有机物交联的方法、化学沉淀法、水热还原法、溶剂热还原法、高温分解法、微波辐射加热法等。复合材料综合了石墨烯以及磁铁矿的优点，一方面能够在吸附饱和后容易快速地从水体中分离，另一方面，具有巨大表面积，丰富官能团和大面积sp2轨道的碳结构，均使石墨烯不仅能加强复合材料的吸附能力，而且能够很好地固定和分散纳米颗粒，使得复合材料能够在高温和低PH下性质不发生变化；磁性石墨烯复合材料的另一大亮点是作为吸附材料，能够在吸附饱和后容易快速再生，并且再生后的吸附能力基本无损耗。负载材料良好的吸附性和易分离，以及易导出电子的特性是提高TiO2光催化效率的关键因素。所以本发明涉及到磁性高效太阳光催化材料的制备。已经有Fe3O4-G以及G-TiO2复合材料的制备,但是三种材料合成的磁性高效光催化剂还未有报道。

发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯基磁性复合可见光催化材料Fe3O4-G-TiO2的制备方法。本发明提出的石墨烯基磁性复合可见光催化材料Fe3O4-G-TiO2的制备方法，采用溶剂热法/水热法制备纳米磁性复合光催化材料Fe3O4-G-TiO215具体分三个步骤实施首先通过改进的Hummers法制备出氧化程度高，分散性好的氧化石墨烯；然后采用溶剂热法，利用高压反应釜制备不同负载率的Fe3O4-G粉末；最后采用有机溶剂-水热法，利用商用TiO2为原材料制备Fe3O4-G-TiO2 ;具体步骤如下
(I)将预氧化的石墨粉分散在冷却到冰点的浓硫酸中搅拌l_2h，配成44. 4g/L的均匀悬浮液；然后将3倍石墨粉质量的高锰酸钾缓慢加入到上述溶液中，此时采用冰浴，保持溶液温度低于10°C，搅拌l_2h后，将温度调到30-40°C，反应4-5h ;然后缓慢加入2倍浓硫酸体积的水搅拌30-60min ;之后加入6倍浓硫酸体积的水终止反应，并加入过量的30%的双氧水除去多余的高锰酸钾，室温下搅拌30-60min，此时溶液变为明亮的黄色；放置20小时-28小时，最后用10-15%的盐酸和水洗涤3-5次，用冷冻干燥器干燥，得到氧化石墨烯；(2)将氧化石墨烯在乙醇中超声3-5h后，将质量比为1:2的FeCl3 ·6Η20和NaAc室温下溶于上述液体中搅拌30-60min ;之后混合溶液转移到高压反应釜中，180-200°C反应充分8-12h，得到的黑色沉淀物离心分离，用乙醇冲洗3-5次，冷冻干燥，得到Fe3O4-G ;其中氧化石墨烯与四氧化三铁的质量比为1:2-2:1 ;
(3)将Fe3O4-G超声分散在V水Vill=1:1的混合液体中，配成O. 05g/L的均匀悬浮液，然后加入商用TiO2搅拌2-3h得到均匀溶液。最后转移到高压反应釜中120-160°C反应3-5h，得到的沉淀物用水冲洗3-5次，冷冻干燥，得到Fe3O4-G-TiO2 ;其中Fe304_G与TiO2的质量比为1:50 1:100。本发明采用溶剂热法/水热法制备的纳米磁性复合光催化材料Fe3O4-G-TiO2成粉末状，Fe3O4的颗粒尺寸在500nm左右，具有较高的磁性，能够在外加磁场作用下较快从水溶液中分离。同时由于负载了还原性氧化石墨烯，抑制了反应过程中电子-空穴的复合率，降低了 TiO2的带隙能，大幅度提高了其在可见光下的催化效率。


图1为实例1-3中第二步制备的Fe3O4-G扫描电镜图。图2为实例4种第二步制备的Fe3O4-G扫描电镜图。图3为实例5中第二步制备的Fe3O4-G扫描电镜图。图4为实施例4中Fe3O4-G-TiO2的扫描电镜图。
具体实施例方式本发明是通过以下实例对发明进一步详述。实施例1
(1)将Sg预氧化的石墨粉分散在180ml冷却到0°C的浓硫酸中，搅拌Ih;然后将24g高锰酸钾缓慢加入到上述溶液中，此时采用冰浴，保持溶液温度低于10°c，搅拌Ih后，将温度调到35°c，反应4h ;然后缓慢加入360ml水，搅拌30min ;之后加入IL水终止反应，并加入40ml30%的双氧水出去多余的高锰酸钾，室温下搅拌30min，此时溶液变为明亮的黄色；放置24小时，最后用10%的盐酸和水洗涤3-5次，用冷冻干燥器干燥48h，得到氧化石墨烯；
(2)将制备好的O.2g氧化石墨烯超声分散在80ml乙二醇中，1. 6g FeCl3 ·6Η20和3. 2gNaAc室温下溶于上述液体中搅拌30min。之后混合溶液转移到高压反应釜中，180°C反应8h，得到的黑色沉淀物离心分离，用乙醇冲洗3-5次，冷冻干燥，得到Fe304-G。(3)将4mgFe304_G超声分散在水和乙醇的混合液体中，然后加入O. 4g商用TiO2搅拌2h得到均匀溶液。最后转移到高压反应釜中120°C反应3h，得到的沉淀物用水冲洗3-5次，冷到干燥，得到Fe304-G-Ti02。实施例2
(I)将Sg预氧化的石墨粉分散在180ml冷却到0°C的浓硫酸中，搅拌Ih ;然后将24g高锰酸钾缓慢加入到上述溶液中，此时采用冰浴，保持溶液温度低于10°c，搅拌Ih后，将温度调到35°c，反应4h ;然后缓慢加入360ml水，搅拌30min ;之后加入IL水终止反应，并加入40ml30%的双氧水出去多余的高锰酸钾，室温下搅拌30min，此时溶液变为明亮的黄色；放置24小时，最后用10%的盐酸和水洗涤3-5次，用冷冻干燥器干燥48h，得到氧化石墨烯；(2)将制备好的O. 2g氧化石墨烯超声分散在80ml乙二醇中，1. 6g FeCl3 ·6Η20和3. 2gNaAc室温下溶于上述液体中搅拌30min。之后混合溶液转移到高压反应釜中，180°C反应8h，得到的黑色沉淀物离心分离，用乙醇冲洗3-5次，冷冻干燥，得到Fe304-G。(3)将4mgFe304_G超声分散在水和乙醇的混合液体中，然后加入O. 4g商用TiO2搅拌2h得到均匀溶液。最后转移到高压反应釜中140°C反应3h，得到的沉淀物用水冲洗3-5次，冷到干燥，得到Fe304-G-Ti02。实施例3
(1)将Sg预氧化的石墨粉分散在180ml冷却 到0°C的浓硫酸中，搅拌Ih;然后将24g高锰酸钾缓慢加入到上述溶液中，此时采用冰浴，保持溶液温度低于10°c，搅拌Ih后，将温度调到35°c，反应4h ;然后缓慢加入360ml水，搅拌30min ;之后加入IL水终止反应，并加入40ml30%的双氧水出去多余的高锰酸钾，室温下搅拌30min，此时溶液变为明亮的黄色；放置24小时，最后用10%的盐酸和水洗涤3-5次，用冷冻干燥器干燥48h，得到氧化石墨烯；
(2)将制备好的O.2g氧化石墨烯超声分散在80ml乙二醇中，1. 6g FeCl3 ·6Η20和3. 2gNaAc室温下溶于上述液体中搅拌30min。之后混合溶液转移到高压反应釜中，180°C反应8h，得到的黑色沉淀物离心分离，用乙醇冲洗3-5次，冷冻干燥，得到Fe304-G。(3)将4mgFe304_G超声分散在水和乙醇的混合液体中，然后加入O. 4g商用TiO2搅拌2h得到均匀溶液。最后转移到高压反应釜中160°C反应3h，得到的沉淀物用水冲洗3-5次，冷到干燥，得到Fe304-G-Ti02。实施例4
(1)将Sg预氧化的石墨粉分散在180ml冷却到0°C的浓硫酸中，搅拌Ih;然后将24g高锰酸钾缓慢加入到上述溶液中，此时采用冰浴，保持溶液温度低于10°c，搅拌Ih后，将温度调到35°c，反应4h ;然后缓慢加入360ml水，搅拌30min ;之后加入IL水终止反应，并加入40ml30%的双氧水出去多余的高锰酸钾，室温下搅拌30min，此时溶液变为明亮的黄色；放置24小时，最后用10%的盐酸和水洗涤3-5次，用冷冻干燥器干燥48h，得到氧化石墨烯；
(2)将制备好的O.5g氧化石墨烯超声分散在80ml乙二醇中，1. 6g FeCl3 ·6Η20和3. 2gNaAc室温下溶于上述液体中搅拌30min。之后混合溶液转移到高压反应釜中，180°C反应8h，得到的黑色沉淀物离心分离，用乙醇冲洗3-5次，冷冻干燥，得到Fe304-G。(3)将4mgFe304_G超声分散在水和乙醇的混合液体中，然后加入O. 4g商用TiO2搅拌2h得到均匀溶液。最后转移到高压反应釜中120°C反应3h，得到的沉淀物用水冲洗3-5次，冷到干燥，得到Fe304-G-Ti02。实施例5
(1)将Sg预氧化的石墨粉分散在180ml冷却到0°C的浓硫酸中，搅拌Ih;然后将24g高锰酸钾缓慢加入到上述溶液中，此时采用冰浴，保持溶液温度低于10°c，搅拌Ih后，将温度调到35°c，反应4h ;然后缓慢加入360ml水，搅拌30min ;之后加入IL水终止反应，并加入40ml30%的双氧水出去多余的高锰酸钾，室温下搅拌30min，此时溶液变为明亮的黄色；放置24小时，最后用10%的盐酸和水洗涤3-5次，用冷冻干燥器干燥48h，得到氧化石墨烯；
(2)将制备好的O.8g氧化石墨烯超声分散在80ml乙二醇中，1. 6g FeCl3 ·6Η20和3. 2gNaAc室温下溶于上述液体中搅拌30min。之后混合溶液转移到高压反应釜中，180°C反应8h，得到的黑色沉淀物离心分离，用乙醇冲洗3-5次，冷冻干燥，得到Fe304-G。
(3)将4mgFe304_G超声分散在水和乙醇的混合液体中，然后加入O. 4g商用TiO2搅拌2h得到均匀溶液。最后转移到高压反应釜中120°C反应3h，得到的沉淀物用水冲洗3-5次，冷到干燥，得到Fe304-G-Ti02。实施例6
(1)将实施例1至5制备的磁性复合可见光催化材料(分别称为FGT-l、FGT-2、FGT-3、FGT-4和FGT-5用于催化降解水中的亚甲基蓝染料，对其去除能力进行比较；
(2)过程配制浓度为50mg/L的亚甲基蓝溶液，各取200ml，分别投加FGT-1、FGT-2、FGT-3、FGT-4和FGT-5，使得材料浓度为500mg/L，在150W氙灯光源照射下，室温下搅拌进行光催化降解，降解效果如下表所示
权利要求
1.一种石墨烯磁性复合可见光催化材料Fe3O4-G-TiO2的制备方法，其特征在于具体步骤如下(1)将预氧化的石墨粉分散在冷却到冰点的浓硫酸中搅拌l_2h，配成44.4g/L的均匀悬浮液；然后将3倍石墨粉质量的高锰酸钾缓慢加入到上述溶液中，此时采用冰浴，保持溶液温度低于10°C，搅拌l_2h后，将温度调到30-40°C，反应4-5h ;然后缓慢加入2倍浓硫酸体积的水搅拌30-60min ;之后加入6倍浓硫酸体积的水终止反应，并加入过量的30%的双氧水除去多余的高锰酸钾，室温下搅拌30-60min，此时溶液变为明亮的黄色；放置20小时-28小时，最后用10-15%的盐酸和水洗涤3-5次，用冷冻干燥器干燥，得到氧化石墨烯；(2)将氧化石墨烯在乙醇中超声3-5h后，将质量比为1:2的FeCl3 ·6Η20和NaAc室温下溶于上述液体中搅拌30-60min ;之后混合溶液转移到高压反应釜中，180-200°C反应充分8-12h，得到的黑色沉淀物离心分离，用乙醇冲洗3-5次，冷冻干燥，得到Fe3O4-G ;其中氧化石墨烯与四氧化三铁的质量比为1:2-2:1 ;(3)将Fe3O4-G超声分散在V水Vill=1:1的混合液体中，配成O. 05g/L的均匀悬浮液，然后加入商用TiO2搅拌2-3h得到均匀溶液。最后转移到高压反应釜中120-160°C反应3-5h，得到的沉淀物用水冲洗3-5次，冷冻干燥，得到Fe3O4-G-TiO2 ;其中Fe304_G与TiO2的质量比为1:50 1:100。
全文摘要
本发明涉及一种石墨烯磁性复合可见光催化材料Fe3O4-G-TiO2的制备方法。采用廉价的石墨粉、FeCl3·6H2O和商业TiO2为前驱物，通过溶剂热法和有机溶剂-水热法，在不同温度下制备出了不同负载率的新型纳米磁性高效光催化复合材料，不仅在可见光下有很高的光催化效率，而且能够从水体中快速有效分离，可以多次重复利用。本发明材料制备方法具有简单易行，影响因素少，稳定性好，催化效率高等优点。
文档编号C02F1/30GK103007944SQ201210536168
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者周丽, 邓慧萍, 万俊力, 史俊, 苏桐 申请人:同济大学