CN102631939B - 一种石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂及其制备方法,属于复合材料和环境治理光催化技术领域。步骤如下:将氧化石墨烯溶于水中,超声处理得到氧化石墨烯分散液;将硝酸银溶于去离子水中,在搅拌的条件下逐滴加入氧化石墨烯分散液中,得到混合溶液,搅拌均匀后陈化;将配置好的磷酸氢二钠或磷酸二氢钠溶液滴加到氧化石墨烯和硝酸银的混合溶液中继续搅拌,转入水热反应釜中,水热反应,冷却至室温;将反应所得到的产物洗涤后,真空干燥后得到所述可见光光催化剂。本发明的优点在于原料来源广泛、制备过程简单、所得到的复合材料结构可控、形貌规则,在可见光照射下对一定浓度的有机染料罗丹明B和亚甲基蓝具有高效的降解效果。
Description
技术领域
本发明涉及光催化剂,特指一种石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂及其制备方法,特别是指一种石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂及其水热制备方法,属于复合材料和环境治理中光催化技术领域。
背景技术
自上世纪七十年代起,持续的环境污染及能源短缺,引起了人们对全球危机的担忧,为了实现人类社会的可持续发展,开发一种即可用于环境治理又可用于清洁能源制备的新技术,成为一项紧急而迫切的任务,光催化技术因其在环境保护、清洁能源制备(太阳能转化为氢能)等领域广阔的应用前景,而受到高度重视,成为一种极具应用前景的技术。
光催化技术研究的关键是光催化剂,长期以来,基于二氧化钛、氧化锌等半导体氧化物的光催化剂凭借其在紫外光照射下较好的光催化性能受到了研究人员的重视,但是其较宽的能带间隙降低了对可见光的利用率,限制了它们的产业化应用;虽然通过离子掺杂、改性复合等技术能提高现有光催化剂对可见光的利用率,但是提高幅度有限;因此,开发新型可见光响应的高效复合型催化剂,成为目前光催化研究的热点方向。
含有p区元素的银化合物由于具有分散的能带结构,能够降低光生载流子的复合速率,从而体现出优异的光催化活性;2010年Ye等人(Nature Mater., 2010, 9, 559-564)首先发现特定形貌的磷酸银在可见光作用下具有非常强的光氧化活性,水氧化量子产率接近90%;2011年报道Ye等人又报道了微米级磷酸银材料的晶面调控和光催化性能(J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 6490-6492),进一步揭示了磷酸银在光催化领域的巨大应用前景;上述文献报道的磷酸银材料虽然尺寸规则、形貌可控,但是尺寸相对较大;中国发明专利(CN101648139 B)报道了一种新型可见光催化剂磷酸银及其制备方法;中国发明专利(201110020586.4)报道了一种电沉积磷酸银光催化半导体薄膜及其制备方法。
中国发明专利201210028396.1 公开了一种氧化石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂及其制备方法 ,是以氧化石墨烯、乙酸银为原料,先通过机械搅拌混合均匀,然后通过与磷酸氢二钠或者磷酸二氢钠的反应制得氧化石墨烯/磷酸银纳米复合可见光光催化剂;其采用溶液法制备,成分为氧化石墨烯-磷酸银,对于1x10-5mol/L的有机染料罗丹明B和亚甲基蓝溶液,该纳米复合光催化剂在可见光照射8分钟后对罗丹明B的降解率为100 %,对亚甲基蓝的降解率也超过90%。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低廉的高效石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂及其制备方法,首次采用水热法制备出结构可控、高活性、可见光响应的石墨烯/磷酸银复合光催化剂,实现了水热过程中氧化石墨烯的原位还原以及磷酸银形貌的有效调控,解决现有光催化剂对可见光利用率不高、对高浓度有机染料降解效率低等问题,首次将水热法原位制备的石墨烯/磷酸银复合材料用于可见光光催化领域,制备方法简单易行、不需要复杂昂贵的设备、合成条件温和、复合材料中两相成分有效复合、所生成的磷酸银颗粒均匀分布在石墨烯上且形貌可控;且可以通过调节氧化石墨烯和硝酸银的质量百分比获得不同配比的复合光催化材料,在一定程度上可以在不降低光催化活性的基础上降低材料的成本。
本发明所采用的技术方案,是以氧化石墨烯、硝酸银为原料,先通过机械搅拌混合均匀后进一步吸附陈化,然后通过与磷酸氢二钠或者磷酸二氢钠的反应制得氧化石墨烯/磷酸银,再在水热条件下还原为石墨烯/磷酸银。
具体为:一种石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂,其特征在于:所述复合可见光光催化剂由石墨烯和磷酸银组成,磷酸银颗粒被层状石墨烯所包裹,颗粒粒径分布在100-400 nm之间,所述复合可见光光催化剂在可见光激发下对有机染料罗丹明B和亚甲基蓝均具有很好的光催化降解效果,对于浓度为1 10-5mol/L的罗丹明B和亚甲基蓝溶液;该复合可见光光催化剂在可见光照射30秒后对罗丹明B的降解率达到83%,,在可见光照射1分钟后对罗丹明B的降解率达到94%,可见光照射4分钟后罗丹明B降解率为98%;在可见光照射30秒后对亚甲基蓝的降解率就高达94%,可见光照射4分钟后亚甲基蓝总降解率为98%;对于浓度为510-5mol/L的罗丹明B和亚甲基蓝,该复合可见光催化剂在可见光照射2分钟后对罗丹明B的降解率只有25%,可见光照射10分钟后对罗丹明B降解率为94%;该复合可见光光催化剂在可见光照射2分钟后对亚甲基蓝的降解率就高达75%,可见光照射6分钟后亚甲基蓝总降解率为98%。
所述的一种石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂的制备方法,包括将氧化石墨烯和硝酸银机械搅拌混合均匀得到混合前驱体溶液A的步骤1、将混合前驱体溶液A与磷酸氢二钠或者磷酸二氢钠的反应制得氧化石墨烯/磷酸银的步骤3,其特征在于:在步骤1和步骤3之间加入对混合前驱体溶液A进行陈化的步骤2;在步骤3之后进行水热反应的步骤,所述对混合前驱体溶液A进行陈化的时间为12~24h;所述水热反应的条件为:在聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中,140-200°C条件下反应12-24h。
陈化是为了让加入的银离子更好的吸附到氧化石墨烯表面,因为氧化石墨烯带负电荷,银离子带正电荷,这样磷酸银的生成就在氧化石墨烯表面,在水热处理过程中,磷酸银的生长就能收到石墨烯片层的限制,不会团聚和生长到很大的颗粒。
具体步骤为:
(1) 氧化石墨烯溶于去离子水中超声3-5小时,得到浓度为0.01-2wt%的氧化石墨烯分散液;
(2) 将硝酸银溶解到去离子水中,在磁力搅拌条件下逐滴滴加到上述氧化石墨烯分散液中,滴加完毕后溶液继续搅拌3-6小时后陈化12~24小时, 得到混合前驱体溶液A,混合前驱体溶液A中硝酸银的浓度为0.2-5wt%;
(3) 将磷酸氢二钠溶于去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸氢二钠溶液B;或将磷酸二氢钠固体溶于去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸二氢钠溶液C;
(4) 在磁力搅拌条件下将步骤(3)制备的磷酸氢二钠溶液B或者磷酸二氢钠溶液C逐滴加入步骤(2)制备的混合前驱体溶液A,直至反应体系中出现棕黄色浑浊,滴加完毕后混合溶液在室温下继续搅拌20-60分钟后转移到聚四氟乙烯内胆中,将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中,140-200°C条件下反应12-24h,反应结束后反应釜自然冷却至室温,所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次后真空干燥 。
本发明首次将石墨烯/磷酸银纳米复合材料应用于可见光光催化领域,并实现水热反应过程中原位还原氧化石墨烯,从而实现磷酸银在石墨烯表面的有效组装;石墨烯作为一种新型的二维纳米碳材料,具有很大的比表面积,既可以作为一种良好的载体,更好的吸附有机染料和有机污染物,同时还可以与磷酸银形成异质结构,产生内建电场,提高光生载流子的分离效率,同时银的化合物还具有潜在的抗菌消毒功能。
文献研究表明:磷酸银在可见光照射下对于高浓度的有机染料体现出高效的光催化降解效果;反应前驱体中的氧化石墨烯,由于具有丰富的亲水基团,从而带有负电荷,银离子加入到前驱体后,由于电荷之间的相互作用,银离子被充分吸附在氧化石墨烯表面,从而使得反应物的扩散、反应、成核和生长主要发生在氧化石墨烯的表面,水热处理条件下,磷酸银迅速反应成核,但是其生长和聚集收到片层石墨烯结构的限制,磷酸银颗粒的形貌和晶面得到很好的限制和调控,团聚和分散性得以改善。本发明的制备方法简单易行,可见光响应范围广,利用率高,光催化活性优异,有利于大规模的推广。
附图说明
图1为石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂的扫描电子显微镜图;
图2为石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂的X射线衍射图;
1为罗丹明B;2为亚甲基蓝。
1为罗丹明B;2为亚甲基蓝。
具体实施方式
下面将结合具体实施例进一步阐明本发明的内容,但这些实施例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
取20 mg氧化石墨烯于20 mL去离子水中超声分散3小时;在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌3小时后陈化12h,得到混合前驱体溶液A;将0.43 g磷酸氢二钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15mol/L的磷酸氢二钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸氢二钠溶液逐滴加入混合前驱体溶液A,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌20分钟,将混合液转至水热反应釜中,140°C反应24小时,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
实施例2
取50 mg氧化石墨烯于30 mL去离子水中超声分散3小时,在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌4小时后陈化16h;将0.43 g磷酸氢二钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸氢二钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸氢二钠溶液逐滴加入氧化石墨烯/硝酸银溶液,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌30分钟,将混合液转至水热反应釜中,160°C反应20小时,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
实施例3
取100 mg氧化石墨烯于30 mL去离子水中超声分散4小时,在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌5小时后陈化20h;将0.43 g磷酸氢二钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸氢二钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸氢二钠溶液逐滴加入氧化石墨烯/硝酸银溶液,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌40分钟,将混合液转至水热反应釜中,180°C反应16小时,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
图1为该实施例所制备出的氧化石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂的扫描电子显微镜图,从图中我们可以清楚看出所得到的磷酸银被薄薄的层状石墨烯所包裹,颗粒粒径分布在100-400 nm之间;图2为该实施例所制备出的石墨烯/磷酸银复合可见光催化剂的X-射线衍射图谱,图中所有的衍射峰均与磷酸银物相吻合,原位还原所得到的石墨烯由于含量相对较少,且相对于晶化好衍射峰很强的磷酸银来说,其X射线衍射峰在图中无法观察到。
实施例4
取200 mg氧化石墨烯于40 mL去离子水中超声分散5小时,在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌6小时后陈化24h;将0.43 g磷酸氢二钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸氢二钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸氢二钠溶液逐滴加入氧化石墨烯/硝酸银溶液,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌50分钟,将混合液转至水热反应釜中,200°C反应12h,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
实施例5
取500mg氧化石墨烯于50 mL去离子水中超声分散5小时,在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌6小时后陈化24h;将0.43 g磷酸氢二钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸氢二钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸氢二钠溶液逐滴加入氧化石墨烯/硝酸银溶液,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌60分钟,将混合液转至水热反应釜中,200°C反应12h,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
实施例6
取20 mg氧化石墨烯于20 mL去离子水中超声分散3小时,在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌3小时后陈化12h;将0.36 g磷酸二氢钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸二氢钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸二氢钠溶液逐滴加入氧化石墨烯/硝酸银溶液,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌20分钟,将混合液转至水热反应釜中,140°C反应24h,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
实施例7
取50 mg氧化石墨烯于30 mL去离子水中超声分散3小时,在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌4小时后陈化16h;将0.36 g磷酸二氢钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸二氢钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸二氢钠溶液逐滴加入氧化石墨烯/硝酸银溶液,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌30分钟,将混合液转至水热反应釜中,160°C反应20h,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
实施例8
取100 mg氧化石墨烯于30 mL去离子水中超声分散4小时,在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌5小时后陈化20h;将0.36 g磷酸二氢钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸二氢钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸二氢钠溶液逐滴加入氧化石墨烯/硝酸银溶液,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌40分钟,将混合液转至水热反应釜中,180°C反应16h,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
实施例9
取200 mg氧化石墨烯于40 mL去离子水中超声分散4小时,在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌6小时后陈化24h;将0.36 g磷酸二氢钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸二氢钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸二氢钠溶液逐滴加入氧化石墨烯/硝酸银溶液,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌50分钟,将混合液转至水热反应釜中,200°C反应12h,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
实施例10
取500 mg氧化石墨烯于50 mL去离子水中超声分散5小时,在磁力搅拌条件下,将1.53 g硝酸银溶解到20mL去离子水中,得到浓度为0.45mol/L的硝酸银溶液,逐滴加入上述氧化石墨烯分散液中,继续搅拌6小时后陈化24h;将0.36 g磷酸二氢钠溶于20mL去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸二氢钠溶液;在磁力搅拌条件下将磷酸二氢钠溶液逐滴加入氧化石墨烯/硝酸银溶液,直至反应体系中出现棕黄色浑浊;滴加完毕后在室温下持续搅拌60分钟,将混合液转至水热反应釜中,200°C反应12h,冷却至室温;抽滤,将沉淀物用去离子水和无水乙醇清洗多次,真空干燥。
本发明所制备出的石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂被用于有机染料罗丹明B和亚甲基蓝的光催化降解实验,具体过程和步骤如下:
将100 mg的石墨烯/磷酸银复合光催化剂分别分散于100毫升 110-5mol/L、100毫升 510-5mol/L的罗丹明B以及亚甲基蓝溶液中(浓度为1 mg/mL)后超声10分钟, 混合均匀的分散液转移到氙灯光催化反应器中的石英瓶中,黑暗条件下搅拌30分钟使其达到吸附平衡后打开氙灯光源,每隔半分钟用注射器抽取4 mL 照射后的混合分散液转移到标记的离心管中,可见光照射一定时间后关闭氙灯光源,将所有的离心管中的样品离心分离,离心后所得到的上层清液进一步转移到石英比色皿中在紫外-可见分光光度计上测定不同光催化时间下的吸光度,从而得到各个时间段下石墨烯/磷酸银复合光催化剂在可见光照射下对不同浓度的罗丹明B和亚甲基蓝的光催化降解曲线图。
图3为实施例3所制备出的石墨烯/磷酸银复合光催化剂在可见光条件下对浓度为110-5mol/L的罗丹明B和亚甲基蓝的光催化降解曲线图,从图3中可以看出,该复合光催化剂在可见光照射30秒后对罗丹明B的降解率达到83%,在可见光照射1分钟后对罗丹明B的降解率达到94%,继续可见光照射降解率增加不多,可见光照射4分钟后罗丹明B降解率为98%。石墨烯/磷酸银复合光催化剂在在可见光照射30秒后对亚甲基蓝的降解率就高达94%,继续可见光照射亚甲基蓝降解率增加不多,可见光照射4分钟后亚甲基蓝总降解率为98%。图3的光催化降解曲线表明石墨烯/磷酸银复合光催化剂在可见光照射下对浓度为110-5mol/L的有机染料罗丹明B和亚甲基蓝均具有高效的光催化降解效果,在可见光照射刚开始时,光催化降解亚甲基蓝的效率比光催化降解罗丹明B的效率要好,可见光照射1分钟两者的光催化降解效果相差不大。
图4为实施例3所制备出的石墨烯/磷酸银复合光催化剂在可见光条件下对浓度为510-5mol/L的罗丹明B和亚甲基蓝的光催化降解曲线图,从图4中可以看出,该复合光催化剂在可见光照射2分钟后对罗丹明B的降解率只有25%,继续增加可见光照射时间降解率增加明显,可见光照射10分钟后对罗丹明B降解率为94%。而石墨烯/磷酸银复合光催化剂在可见光照射2分钟后对亚甲基蓝的降解率就高达75%,继续可见光照射亚甲基蓝降解率有一定程度的提高,可见光照射6分钟后亚甲基蓝总降解率为98%,此后降解率无明显增加。从图4的光催化降解曲线结果我们可以看出,石墨烯/磷酸银复合光催化剂在可见光照射下对浓度为510-5mol/L的亚甲基蓝的光催化降解效果明显好于对同浓度的罗丹明B的降解效果。
Claims (1)
1.一种石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂,其特征在于:所述复合可见光光催化剂由石墨烯和磷酸银组成,磷酸银颗粒被层状石墨烯所包裹,颗粒粒径分布在100-400 nm之间,所述复合可见光光催化剂在可见光激发下对有机染料罗丹明B和亚甲基蓝均具有很好的光催化降解效果,对于浓度为1 10-5mol/L的罗丹明B和亚甲基蓝溶液,该复合可见光光催化剂在可见光照射30秒后对罗丹明B的降解率达到83%,在可见光照射1分钟后对罗丹明B的降解率达到94%,可见光照射4分钟后罗丹明B降解率为98%;在可见光照射30秒后对亚甲基蓝的降解率就高达94%,可见光照射4分钟后亚甲基蓝总降解率为98%;对于浓度为5 10-5mol/L的罗丹明B和亚甲基蓝,该复合可见光催化剂在可见光照射2分钟后对罗丹明B的降解率只有25%,可见光照射10分钟后对罗丹明B降解率为94%;该复合可见光光催化剂在可见光照射2分钟后对亚甲基蓝的降解率就高达75%,可见光照射6分钟后亚甲基蓝总降解率为98%;
所述的石墨烯/磷酸银复合可见光光催化剂采用如下方法制备:
(1) 氧化石墨烯溶于去离子水中超声3-5小时,得到浓度为0.01-2wt%的氧化石墨烯分散液;
(2) 将硝酸银溶解到去离子水中,在磁力搅拌条件下逐滴滴加到上述氧化石墨烯分散液中,滴加完毕后溶液继续搅拌3-6小时后陈化12~24小时, 得到混合前驱体溶液A,混合前驱体溶液A中硝酸银的浓度为0.2-5wt%;
(3) 将磷酸氢二钠溶于去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸氢二钠溶液B;或将磷酸二氢钠固体溶于去离子水中,得到浓度为0.15 mol/L的磷酸二氢钠溶液C;
(4) 在磁力搅拌条件下将步骤(3)制备的磷酸氢二钠溶液B或者磷酸二氢钠溶液C逐滴加入步骤(2)制备的混合前驱体溶液A,直至反应体系中出现棕黄色浑浊,滴加完毕后混合溶液在室温下继续搅拌20-60分钟后转移到聚四氟乙烯内胆中,将装有混合溶液的聚四氟乙烯内胆密封到不锈钢水热反应釜中,140-200°C条件下反应12-24h,反应结束后反应釜自然冷却至室温,所得到的产物离心分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次后真空干燥 。
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