TiO2-graphene基复合材料的制备及其在染料污水净化中的应用研究

摘要

二氧化钛（TiO2）因其稳定、易得、经济、环保而成为一种备受关注的光催化剂。但是，TiO2的光生电子-空穴对能带较宽（大约3.2 eV）且复合迅速，导致其可见光利用效率低。研究表明，TiO2与适当的其它组分（如一些金属单质及其化合物，氮、硫等非金属单质）构成的复合材料可以抑制光生电子-空穴的复合，同时提高对可见光的吸收利用。
　　石墨烯（Graphene）是一种由单层sp2杂化碳原子组成的二维蜂巢形网状结构的碳基材料，其中还原氧化石墨烯（rGO）和三维石墨烯气凝胶（GA）具有较大的比表面积、丰富的孔结构、良好的电荷流动性和电传导性。因此，自从它们被发现以来就激起了众多研究者的兴趣，其单质及相应复合材料表现出优异的光电转化和光催化性能。
　　本论文先后制备了不同配比的TiO2-GA、g-C3N4-TiO2-GA、Fe2O3-TiO2-GA、TiO2-rGO及Ag-TiO2-rGO复合材料；利用XRD、FT-IR、DR UV-Vis、Raman、SEM、TEM、XPS、N2 adsortion-desorption、TG等分析手段对所制材料进行了较系统的表征，详尽考察了它们在吸附及可见光下催化降解罗丹明B（RhB）时的性能，并探究了其光催化反应机理。主要工作如下：
　　（1）以钛酸丁酯（butyl titanate）和氧化石墨烯（GO）为原料，采用直接水热合成法结合冷冻干燥技术制备了不同配比的TiO2-GA复合材料。研究发现， TiO2-GA仍保持着GA的宏观柱状三维结构，同时锐钛矿晶相的 TiO2纳米颗粒较均匀地分散于GA骨架中。该类复合材料具有较高的比表面积和丰富的孔结构，其中TiO2-GA(5)呈现出最大的比表面积（SBET=409.0m2g-1）和总孔容（Vp=0.512 cm3 g-1），并呈现出的最佳吸附和光催化性能：在本论文实验条件下（室温，5 mg所制复合材料，25 mL20 mg L-1的RhB溶液），在180 min内RhB的总去除率高达98.7％，吸附及光催化反应使用四次后，RhB去除率仍达到72.0%。
　　（2）以三聚氰胺（tripolycyanamide）为原料，采用热分解法制备了类石墨相氮化碳（g-C3N4），将其超声分散于上述制备 TiO2-GA(5)的前驱液中，采用上述水热和冷干工艺成功制备出具有异质结构、不同配比的g-C3N4-TiO2-GA三元复合材料。研究发现，该类复合材料仍为宏观柱状三维结构，锐钛矿晶相 TiO2和g-C3N4皆均匀分散于GA中。同时，g-C3N4的引入极大地提高了TiO2-GA对RhB的净化性能，其中g-C3N4-TiO2-GA(5%)性能最佳，在其作用下，在60 min内RhB的总去除率高达98.4%，连续使用4次，RhB去除率仍能达到75.6%。
　　（3）以硝酸铁（ferric nitrate）为铁源，将其溶液加于上述制备TiO2-GA(5)的前驱液中，采用上述水热和冷干工艺成功制备出具有异质结构、不同配比的Fe2O3-TiO2-GA三元复合材料。研究发现，该类复合材料仍为宏观柱状三维结构，锐钛矿晶相TiO2和Fe2O3纳米粒子较均匀地分散于GA中。在相同的实验条件下，该类复合材料呈现出更为优异的吸附性能，其中，Fe2O3-TiO2-GA(30%)在60 min内对RhB的吸附率高达95.0%。在可见光照射情况下，Fe2O3-TiO2–GA(25%)呈现出最佳的净化效果，在其作用下，在60 min内RhB的总去除率高达97.7%，第4次使用后RhB去除率仍能达到81.8%。
　　（4）以钛酸丁酯（butyl titanate）为原料、P123为结构导向剂，采用水热合成法制备了球形锐钛矿晶相的TiO2介孔纳米材料，将其超声分散于GO溶液中，采用冰晶模板法结合焙烧工艺制备了不同配比的TiO2-rGO复合材料。研究发现， TiO2较均匀地分散于rGO中。相对于单纯TiO2，该复合材料对RhB呈现出明显增强的吸附性能和可见光光催化降解活性，其中TiO2-rGO(20)性能最佳，在其作用下320 min内对RhB的吸附率为66.7%，在可见光照射情况下，RhB总去除率达到81%，第4次使用后RhB去除率仍高达初始值的91.8%。
　　（5）以硝酸银（silver nitrate）为原料，将其乙醇溶液分散于GO溶液中，采用紫外光照射还原并结合上述冰晶模板法及焙烧工艺制备了不同配比且具有异质结构的 Ag-TiO2-rGO复合材料。研究发现，由于 Ag单质颗粒较大，对TiO2-rGO孔道堵塞严重，该类复合材料对 RhB的吸附性能反而不如相应TiO2-rGO，但Ag单质的引入在一定程度上增强了其光催化降解活性。在本论文实验条件下，Ag-TiO2-rGO(0.1)性能最佳，在其作用下，180 min内对RhB吸附率为52.3%，而总去除率为67.0%，第4次使用后 RhB去除率仍保持初始值的79.5%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 TiO2光复合材料

1.3 TiO2基光催化剂的研究状况

1.4石墨烯简介及其在光复合材料中的应用

1.5 本论文的选题依据和研究内容

第二章 实验用品及分析方法

2.1 实验药品和仪器

2.2材料的表征方法

2.3 材料净化RhB染料污水的性能

第三章 TiO2-GA复合材料的制备、表征及净化RhB染料污水性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 g-C3N4-TiO2-GA复合材料的制备、表征及净化RhB染料污水性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 Fe2O3-TiO2-GA复合材料的制备、表征及净化RhB染料污水性能

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 TiO2-rGO复合材料的制备、表征及净化RhB染料污水性能

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第七章Ag-TiO2-rGO复合材料的制备、表征及净化RhB染料污水性能

7.1 引言

7.2 实验部分

7.3 结果与讨论

7.4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢