石墨烯-铁离子改性TiO2光触媒复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光触媒材料，特别涉及一种石墨烯-铁离子改性T12光触媒复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，采用石墨烯对二氧化钛进行改性主要的方法有:石墨烯和二氧化钛进行直接复合；将纳米二氧化钛、石墨烯和其他成分共同复合制备出具有多功能的材料；将石墨烯与改性后的二氧化钛进行复合。
[0003]石墨烯和二氧化钛进行直接复合利用了石墨烯独特的电子传输特性来降低光生载流子的复合，其原理是通过抑制T12内电子-空穴对的复合来提高T1 2的光催化活性。
[0004]中国专利102872889A利用硝酸银和二氧化钛、石墨烯复合制备出了具有光催化降解和抗菌杀菌的双功能材料，但未在打02的光催化性能上有新的突破和提高。
[0005]将石墨烯与改性后的二氧化钛进行复合目前都仅限于将石墨烯与非金属或金属元素改性后的二氧化钛进行复合，用这些方法制备出来的复合材料中1102的纳米尺寸均受到一定的限制，进而使制备出来的催化剂比表面积受到限制，最终使光催化剂的催化活性也受到了限制。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对石墨烯改性1102现有技术的不足，提供一种在可见光区催化性能优异的石墨烯-铁离子改性二氧化钛复合材料及其制备方法。制备出来的铁离子改性二氧化钛纳米溶胶在石墨烯表面分布均匀。
[0007]为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下:
一种石墨烯-铁离子改性打02光触媒复合材料，包括由铁的硝酸盐与无水乙醇混合得到的A溶液；钛酸丁酯与A溶液混合，得到B溶液；向B溶液滴入盐酸和去离子水，陈化后得到铁离子掺杂型二氧化钛溶胶；氧化石墨烯加入水和有机溶剂的溶液混合得到分散液C ;将上述铁离子掺杂型二氧化钛溶胶与分散液C中合得到石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液；石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液置于水浴反应釜中反应，制备出石墨烯-铁离子改性T12复合材料。
[0008]进一步，其中A溶液中铁的硝酸盐与无水乙醇的摩尔比为1: 1000?5000 ;B溶液中钛酸丁酯与A溶液的体积比为1:1?5 ;铁离子掺杂型二氧化钛溶胶陈化前B溶液与去离子水的体积比为1:1?5 ;分散液C中水和有机溶剂溶液的质量比为1:1，氧化石墨烯分散于混合液中浓度为0.1?0.3mg/mL ;石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液中铁离子掺杂型二氧化钛溶胶与分散液C的体积比为5:100?45:100。
[0009]一种石墨烯-铁离子改性1102光触媒复合材料的制备方法，包含以下步骤:
步骤1:将铁的硝酸盐倒入无水乙醇中混合，用超声波震荡至完全溶解，得到A溶液； 步骤2:再将钛酸丁酯缓慢倒入进行磁力搅拌的A溶液中，得到B溶液； 步骤3:向B溶液滴加盐酸和去离子水的溶液并调节PH值，继续搅拌，得到白色悬浊液；
步骤4:将白色悬浊液置于室温下陈化即可得到铁离子掺杂型二氧化钛溶胶；
步骤5:将氧化石墨烯加入水和有机溶剂的溶液中超声分散得到棕色透明均一的分散液C ;
步骤6:在磁力搅拌下将步骤4得到的铁离子掺杂型二氧化钛溶胶滴加到步骤5得到的分散液C中得到石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液；
步骤7:将步骤6石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液置于水浴反应釜中反应，将反应物冷却至室温抽滤、洗涤、冷冻干燥即得到石墨烯-铁离子改性T12光触媒复合材料。
[0010]进一步，步骤I中所述铁的硝酸盐为硝酸铁九水合物，铁的硝酸盐与无水乙醇用超声波震荡5?10分钟。
[0011]进一步，步骤3所述B溶液滴加盐酸和去离子水的混合液并进行磁力搅拌，滴加完后继续搅拌30?60分钟，其PH值为I?3。
[0012]进一步，步骤4中白色悬浊液置于室温下陈化时间是I?5天。
[0013]进一步，步骤5中有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、N，N- 二甲基甲酰胺酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮的其中一种。
[0014]进一步，步骤7中石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液置于反应釜中进行反应，温度为80?150°C，反应时间为I?8小时。
[0015]本发明所述石墨烯-铁离子改性T12光触媒复合材料及其制备方法的有益效果是:从抑制打02内载流子的复合、提高T12催化剂的比表面积、改变T1 2催化剂的结构或表面性质三方面来共同提高了 T12的光催化活性，该方法制备出的T1 2光触媒催化性能优异。掺杂后，锐钛矿T12的粒径明显减小，比表面积增大；铁离子掺杂型二氧化钛溶胶滴在T12中的掺杂方式是替位掺杂，铁元素以铁离子的形式进入晶格，在T12中形成不同的能级即陷阱，陷阱可以捕获电子和空穴，通过该方式来改变T12催化剂的结构能够有效地阻止电子和空穴的复合，掺杂铁离子后T12本征吸收的带边向长波方向移动40nm左右，使打02的吸收范围延伸至可见光区域；石墨烯电子传导率高，T12与石墨烯复合后在两种材料的界面上将会发生光生电子的转移，从而抑制了 T12内电子-空穴的复合，提高T12的光催化效率。
【附图说明】
[0016]图1为P25和本发明实施例1-5制备的T12纳米光触媒的光催化活性比较图；
图2为本发明P25和实施例1-5制备的T12纳米光触媒溶液对罗丹明B的降解率数据表；
图3为本发明实施例1制备出的石墨烯-铁离子改性T12光触媒XRD图谱。
【具体实施方式】
[0017]下面结合说明书附图对本发明的【具体实施方式】做详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获取的其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0018]本发明提供的一种石墨烯-铁离子改性1102光触媒复合材料及制备方法，其石墨烯-铁离子改性T12光触媒复合材料包括由铁的硝酸盐与有机溶剂混合得到的A溶液；钛酸丁酯与A溶液混合，得到B溶液；向B溶液滴入盐酸和去离子水，陈化后得到铁离子掺杂型二氧化钛溶胶；氧化石墨烯加入水和有机溶剂的溶液混合得到分散液C ;将上述铁离子掺杂型二氧化钛溶胶与分散液C得到石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液；石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液置于水浴反应釜中反应，制备出石墨烯-铁离子改性T12复合材料。
[0019]石墨烯-铁离子改性1102光触媒复合材料的制备方法，包含以下步骤:
步骤1:将铁的硝酸盐倒入无水乙醇中混合，用超声波震荡至完全溶解，得到A溶液； 步骤2:再将钛酸丁酯缓慢倒入进行磁力搅拌的A溶液中，得到B溶液；
步骤3:向B溶液滴加盐酸和去离子水的混合液并调节PH值，继续搅拌，得到白色悬浊液；
步骤4:将白色悬浊液置于室温下陈化即可得到铁离子掺杂型二氧化钛溶胶；
步骤5:将氧化石墨烯加入水和有机溶剂的溶液中超声分散得到棕色透明均一的分散液C ;
步骤6:在磁力搅拌下将步骤4得到的铁离子掺杂型二氧化钛溶胶滴加到步骤5得到的分散液C中得到石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液；
步骤7:将步骤6石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液置于水浴反应釜中反应，将反应物冷却至室温抽滤、洗涤、冷冻干燥即得到石墨烯-铁离子改性T12复合材料。
[0020]其中上述A溶液中铁的硝酸盐与无水乙醇的摩尔比为1: 1000?5000 ;B溶液中钛酸丁酯与A溶液的体积比为1:1?5 ;铁离子掺杂型二氧化钛溶胶陈化前B溶液与去离子水的体积比为1:1?5 ;分散液C中水和有机溶剂的质量比为1:1，氧化石墨烯分散于混合液中浓度为0.1?0.3mg/mL ;石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液中铁离子掺杂型二氧化钛溶胶与分散液C的体积比为5:100?45:100 ;步骤I中所述铁的硝酸盐为硝酸铁九水合物，铁的硝酸盐与无水乙醇用超声波震荡5?10分钟；步骤3所述B溶液滴加盐酸和去离子水的溶液并进行磁力搅拌，滴加完后继续搅拌30?60分钟，其PH值为I?3;步骤4中白色悬浊液置于室温下陈化时间是I?5天；步骤5中有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、N, N- 二甲基甲酰胺酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮的其中一种；步骤7中石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液置于反应釜中进行反应，温度为80?150°C，反应时间为I?8小时。
[0021]实施例1:
将铁的硝酸盐与无水乙醇以1: 1000的摩尔比例混合并用超声波振荡5分钟至完全溶解，得到A溶液；将钛酸丁酯缓慢倒入A溶液中并进行搅拌，得到B溶液；其中钛酸丁酯与A溶液的体积比为1:1 ;向B溶液滴加盐酸和去离子水的溶液并调节PH至PH=I，继续搅拌30分钟，得到白色悬浊液，所述B溶液与去离子水的体积比为1: 3;将悬浊液置于室温下陈化I天后，得到铁离子掺杂二氧化钛溶胶；将氧化石墨烯加入水和乙二醇的混合溶液中超声分散得到棕色透明均一的0.2mg/mL分散液C，水与乙二醇的质量比为1:1 ;在磁力搅拌下将上述铁离子掺杂型二氧化钛溶胶滴加到0.2mg/mL的分散液C中得到石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液，其中铁离子掺杂型二氧化钛溶胶与分散液C的体积比为5:100 ;将上述石墨烯/铁离子掺杂型二氧化钛溶液置于反应釜中120°C反应3小时，将反应物冷却至室温抽滤、洗涤、冷冻干燥即得到石墨烯-铁离子改性1102复合材料(Al)，其XRD图谱如图3所示。
[0022]实施例2:
将铁的硝酸盐与无水乙醇以1: 5000的摩尔比例混合并用超声波振荡10分钟至完全溶解，得