氮掺杂石墨烯基空盒状二氧化钛的制备与光催化性能

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近些年,光催化降解有机污染物引起了越来越多的关注。Ti O2凭借其氧化能力强,无毒性,长期光和化学稳定性等诸多优点,成为了被研究最多的光催化剂。但是,二氧化钛是一种宽带隙的半导体,只对紫外光有响应,而紫外光在太阳光中只占有很小的一部分比例(35%),同时光激发所产生的电子和空穴在迁移至光催化剂表面之前很容易发生复合,这就限制了其在光催化方面的应用。改善二氧化钛在可见光区域的吸收和降低光生载流子的复合可以提高其光催化活性。掺杂是提高二氧化钛在可见光区域的吸收以及光催化活性的有效途径之一。目前,已有二氧化钛与活性炭[1]、碳纳米管[2]和富勒烯[3]等复合物的研究报道,并且每种材料均显示了良好的光催化效果。石墨烯是一种二维碳原子晶体,具有很好的层状结构,同等重量石墨烯具有理论计算上超强的比表面,且与碳纳米管等相比较,具有更好的导电性和化学稳定性。石墨在经过强氧化剂如高锰酸钾和浓硫酸氧化后可以得到氧化石墨,从而石墨碳原子上会被引入一些如羰基、羟基、羧基和环氧基等官能团。石墨的层间距为0.35 nm,经氧化强制插入其他原子或官能团后,层间距扩大至0.71.0 nm。由于含氧基团的进驻,使得得氧化石墨有了良好的亲水性。基于此,我们就想到了把它与光催化剂二氧化钛复合,复合材料拥有和石墨烯相似的强吸附,高导电性、可控性能等,对分离光生电子和空穴具有很好的促进作用。研究者在制备二氧化钛复合材料的过程中,基本都是把二氧化钛纳米颗粒复合到超声剥离的氧化石墨烯碳原子层上,属于物理吸附较多,而未研究化学反应过程能否使二氧化钛与石墨烯键连起来。因为石墨经过氧掺杂之后,导电性要比碳原子层状的石墨烯要弱很多[4],要是能够通过化学反应使得二氧化钛纳米颗粒表面的羟基和石墨烯上的功能化基团连接起来,就能很大程度上提高复合材料的光催化活性。本文利用石墨粉根据氧化法制得氧化石墨,并用水热法高温高压让氮原子部分取代氧化石墨中的氧原子;以钛酸四丁酯为钛源,水热法合成二氟氧钛。采用高温煅烧法在300℃下以两者为起始材料制备了不同比例的二氧化钛和氧化石墨烯的复合光催化材料。研究了该材料在氙灯光源下的光催化降解罗丹明B的活性,并研究了其中的机理。
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