TiO2/氧化石墨烯复合材料的合成及光催化性能研究

　　以自制氧化石墨、钛酸丁酯为主要原料，用溶胶-凝胶法制备了TiO2/氧化石墨烯(TiO2/GO)复合材料，采用TEM、XRD对其进行表征。以活性艳红X-3B溶液为模拟废水，研究了该复合材料的光催化降解性能，考察了氧化石墨烯含量、染料初始浓度、催化剂用量等因素对其光催化降解率的影响。

　　结果表明：氧化石墨烯片层上均匀负载着锐钛矿型的TiO2球形颗粒，粒径在10 nm左右;当TiO2/GO复合材料中加入的GO含量为100 mg时光催化活性最好，比相同条件下纯TiO2和TiO2与氧化石墨物理混合物的光催化活性有明显提高;相同条件下，降解率随溶液初始浓度的升高而降低，催化剂用量存在最佳值，100 mg/L的活性艳红X-3B溶液，催化剂用量的最佳值为0.8 g/L，反应60 min后其降解率可达96%。

　　纳米TiO2具有化学性质稳定、耐光腐蚀及较强的光催化氧化能力等优点，被广泛应用于光催化降解各种污染物，引起了众多研究者的重视。但纯TiO2存在光催化量子效率低的问题。氧化石墨烯(GO)具有非常优越的吸附性能，能与许多金属和金属氧化物复合得到性能优异的复合材料，因为GO碳层上富含环氧基、羟基、羧基等官能团，为GO 提供了反应活性点，同时这些含氧官能团的亲水性使其能在水中形成稳定的胶状分散体系，对于提高GO 复合材料在水中的分散性极其有利。

　　真空技术网(http://www.chvacuum.com/)发布的此文利用GO与TiO2复合来提高纳米TiO2 的光催化活性。对TiO2/氧化石墨烯(TiO2/GO)复合材料的微观结构和形貌进行了表征，并以活性艳红X-3B 为处理对象，研究了不同条件对这种复合材料光降解性能的影响。

　　1、实验部分

　　1.1、试剂及仪器

　　1.1.1、试剂钛酸丁酯(简称TBOT，CR，天津福晨化学试剂厂)、天然石墨(80 目)，其他主要试剂有浓硫酸(H2SO4)、高锰酸钾(KMnO4)、30%过氧化氢(H2O2)、无水乙醇(EtOH)、盐酸(HCl)，均为市售分析纯，活性艳红X-3B 为市售，实验用水为二次蒸馏水。

　　1.1.2、仪器JEM-2010 型透射电镜，日本JEOL公司;D8 Advance 型X 射线粉末衍射仪，德国Bruker 公司;TU-1810 型紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司;85-1型恒温磁力搅拌器，常州国华电器有限公司;80-2型离心沉淀机，巩义市英峪予华仪器厂;SB25-12DT型超声清洗器;马弗炉;GYF型400W高压汞灯，飞利浦亚明照明有限公司。

　　1.2、GO的制备

　　采用Hummers法制备氧化石墨。在干燥的大烧杯中加入230 mL 浓硫酸，用冰水浴冷却至0 ℃，搅拌下缓慢加入10 g 天然石墨和30 gKMnO4，控制反应液温度在4 ℃左右，搅拌反应2 h，在35 ℃左右恒温水浴中继续搅拌30 min，缓慢加入水460 mL，并控制反应液温度在100 ℃以内，继续搅拌30 min;用水稀释至1 000 mL 后再加适量H2O2(5%)，趁热过滤，分别用5% HCl、蒸馏水和无水乙醇洗涤至滤液为中性，于60 ℃下真空干燥24 h，研磨后密封保存备用。然后取一定量制备好的氧化石墨(20、60、100、140、180 mg)与一定量的无水乙醇混合，超声剥离1 h，得到含量不同的GO分散液。

　　1.3、TiO2/GO复合光催化剂的制备

　　以GO 和TBOT为主要原料，用溶胶-凝胶法制TiO2/GO 复合光催化剂。把含有一定量TBOT的乙醇溶液放置于容器中，将上述含量不同的GO无水乙醇分散液滴加到TBOT的乙醇溶液中，磁力搅拌均匀后再逐滴滴加盐酸、蒸馏水，其中各物质的物质的量之比为n(TBOT)∶n(EtOH)∶n(H2O)∶n(HCl)=1∶22∶3∶0.08，持续搅拌反应得浅黑色溶胶，静置形成浅黑色凝胶，陈化数日，洗涤干燥后在350 ℃下焙烧2 h，研磨，得到GO不同含量的TiO2/GO 复合材料。为对比，用相同方法和条件制备纯TiO2。

　　1.4、光催化降解活性艳红X-3B性能测试

　　光催化反应在自制装置中进行。取一定量光催化剂加入100 mL一定浓度的活性艳红X-3B溶液(pH = 5.5)中，磁力搅拌使催化剂分散均匀，在暗处搅拌30 min后达到吸附平衡，再置于400 W高压汞灯下，光源距离液面约15 cm，紫外灯预热5 min后进行反应，每隔一定时间取样一次，离心分离后取上层清液，在541 nm处测定其吸光度的变化，根据吸光度-浓度标准曲线求对应浓度，并计算活性艳红X-3B的降解率(η) ：

　　其中c0 为吸附平衡时活性艳红X-3B 的浓度，ct为反应时间为t 时活性艳红X-3B的浓度。

　　结论

　　利用GO上负电性的含氧基团对金属离子的静电吸引作用，采用溶胶-凝胶法在常温常压下成功制备出TiO2/GO 复合材料，材料的XRD、TEM表征分析显示GO片层上均匀负载着锐钛矿型的TiO2球形颗粒，粒径在10nm左右。GO用量为100 mg时，TiO2/GO 复合材料的光催化活性最好，比相同条件下纯TiO2和TiO2与氧化石墨物理混合物的光催化活性有明显提高;相同条件下，降解率随染料溶液初始浓度的升高而降低，催化剂用量存在最佳值，100 mg/L 的活性艳红X-3B溶液，催化剂用量的最佳值为0.8 g/L，反应60 min后其降解率可达96%。