紀(jì)美茹

摘 要 以氧化石墨及硫酸鈦、十六烷基三甲基溴化銨作為起始反應(yīng)物，制備了二氧化鈦-氧化石墨插層材料，并考察了樣品在紫外光下光催化降解甲基橙的催化性能。結(jié)果表明：該插層材料作為光催化劑比P25納米TiO2表現(xiàn)出更高的催化活性，并且經(jīng)4次重復(fù)利用后，仍保持很高的光催化活性。

關(guān)鍵詞 氧化石墨；TiO2；插層材料；光催化

中圖分類號(hào) TB3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2015）09-0034-02

半導(dǎo)體材料TiO2在光催化材料等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]，但是TiO2量子產(chǎn)率較低，易于失活，所產(chǎn)生的光生電子-空穴容易復(fù)合，導(dǎo)致光催化效率低，從而影響到了TiO2在實(shí)際中的應(yīng)用。因此，對(duì)TiO2的研究多集中在對(duì)其改性上，通過(guò)改性可顯著提高其催化活性并提高對(duì)可見(jiàn)光的利用率。由于氧化石墨層內(nèi)以強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，層間則通過(guò)各種含氧官能團(tuán)以弱的氫鍵連接，主體石墨層上含有豐富的極性基團(tuán)、帶負(fù)電荷、片層面積大并且離子交換能力強(qiáng)，這些特點(diǎn)使其具有良好的復(fù)合能力。鑒于TiO2與氧化石墨的特殊性能，本文以氧化石墨作為插層主體，CTAB、硫酸鈦?zhàn)鳛椴鍖涌腕w制備了TiO2-GO插層材料。由于氧化石墨和TiO2的特殊性質(zhì)，TiO2插層氧化石墨材料作為一種新型的復(fù)合材料，有希望具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)和催化性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 所用試劑及原料

本實(shí)驗(yàn)所用硫酸鈦、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）是中國(guó)醫(yī)藥（集團(tuán)）上?；瘜W(xué)試劑公司生產(chǎn)的分析純化學(xué)試劑。P25 型納米TiO2為Degussa 公司（德國(guó)）生產(chǎn)。甲基橙（MO）是上海試劑三廠生產(chǎn)的分析純化學(xué)試劑，氧化石墨是本實(shí)驗(yàn)室采用hummers自制的。

1.2 TiO2插層氧化石墨的制備

1）鈦插層劑的制備[3]。按摩爾比n（Ti（SO4）2）：n（H2SO4）=8：9將一定量的硫酸鈦溶于1.25mol/L的硫酸溶液中，攪拌1h，陳化1d，得到鈦插層劑。

2）TiO2插層氧化石墨的制備。將0.1mol/L的CTAB（做預(yù)插層劑）按CTAB/GO=50mmol/g在不斷攪拌下滴入1%的GO懸浮液中，滴加完后繼續(xù)攪拌12h，然后70℃下陳化24h。離心取沉淀物分散在100mL水中得到懸浮液。在水浴溫度為80℃，不斷攪拌下按Ti/GO=20mmol/g，將鈦插層劑逐滴滴加到上述懸浮液中，滴加完畢后繼續(xù)攪拌12h，陳化24h。抽濾洗滌至無(wú)SO42-，干燥后放入N2氣氛中，升溫到450℃下保溫3h。得到的樣品記為TiO2-GO-C-450。為了進(jìn)行對(duì)比，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下制備未添加預(yù)插層劑CTAB的TiO2插層氧化石墨，記為TiO2-GO-450。

1.3 光催化性能研究[4]

用南京斯東柯電器設(shè)備公司的SGH-1 型光化學(xué)反應(yīng)器測(cè)定該插層材料的光催化活性，催化光源采用300W中壓汞燈，石英冷阱，確保紫外光能夠透過(guò)，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凝水流量將反應(yīng)溶液的溫度控制在20～25℃。將200mg的插層催化劑加入含有1000ml、濃度為20mg/L的甲基橙溶液的燒杯中，然后超聲分散20min。將混合液倒入反應(yīng)器的玻璃容器中，以240mL/min通空氣鼓泡，待MO溶液和催化劑混合均勻后，開(kāi)啟汞燈并計(jì)時(shí)。每隔10min取樣進(jìn)行離心，取上層清液在465nm處測(cè)定其吸光度值，根據(jù)吸光度變化計(jì)算出甲基橙的降解率。降解率按下式計(jì)算：

Degradation為降解率（%）；A0，At分別為降解前、t時(shí)間后的溶液吸光度。以P25納米TiO2為光催化劑在同等條件下作對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同光催化劑的催化性能

由圖1可見(jiàn)，樣品TiO2-GO-450在30min時(shí)對(duì)甲基橙的降解率達(dá)到93%左右，40min時(shí)降解率接近100%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P25納米TiO2的光催化活性，而樣品TiO2-GO-C-450的光催化活性更高，在20min時(shí)降解率接近100%。可見(jiàn)，TiO2-GO插層材料對(duì)甲基橙的降解效果明顯高于納米TiO2的。這可能是因?yàn)椴鍖硬牧夏苁辜{米TiO2的禁帶寬度減小，并且減小了電子-空穴對(duì)的復(fù)合概率，有利于TiO2對(duì)有機(jī)污染物等的降解。而添加CTAB作預(yù)插層劑的催化性更高，這可能是因?yàn)镃TAB的加入使氧化石墨表面由親水性變?yōu)橛H油性，表面能降低，層間距增大，與鈦插層液之間的相容性提高，形成的氧化石墨薄片間分散性更好，這就為TiO2晶粒在氧化石墨烯層內(nèi)外的成核與生長(zhǎng)提供了更多的位置[5-6]。因此，TiO2-GO插層材料作為光催化劑降解甲基橙時(shí)，同樣的時(shí)間內(nèi)將有更多的MO分子與GO層片內(nèi)外的二氧化鈦顆粒接觸，使得更多的甲基橙分子在紫外光的照射下得以分解，有效提高了插層材料的光催化

效率。

2.2 插層材料用量對(duì)降解甲基橙的影響

由圖2可見(jiàn)，隨著催化劑用量的增加，對(duì)甲基橙的降解率也隨之增加。但當(dāng)催化劑的量達(dá)到一定量時(shí)，對(duì)甲基橙的光催化降解效率卻降低了。這是因?yàn)殡S著催化劑的增加，使得溶液中生成更多的有效光子，從而加快了光催化反應(yīng)的速率；當(dāng)催化劑的用量為0.2g時(shí)，催化效果達(dá)到了最大值，經(jīng)20min降解后，降解效率接近為100%。但當(dāng)催化劑加到一定量時(shí)，過(guò)多的催化劑可能會(huì)造成光的散射，再加上催化劑顆粒之間的相互掩蔽作用等，使有效光子產(chǎn)率降低。

2.3 催化劑穩(wěn)定性測(cè)試

由圖3可見(jiàn)，第一次使用降解率最高，隨著使用次數(shù)的增加，降解效果有所減弱，這可能是由于催化劑在回收的過(guò)程中有所損失，而且重復(fù)使用后催化劑的光催化活性開(kāi)始下降的雙重原因造成的。但是經(jīng)4次重復(fù)使用后，60mim的降解率仍接近100%，這說(shuō)明所制備的TiO2-GO-C-450樣品具有較高的穩(wěn)定性和光催化。

3 結(jié)論

經(jīng)TiO2插層后氧化石墨的復(fù)合催化劑比P25納米TiO2表現(xiàn)出更高的光催化活性，而且經(jīng)重復(fù)使用4次后，仍保持很高的光催化活性。

參考文獻(xiàn)

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