功能化石墨烯基二氧化鈦光催化材料的合成及性能研究.pdf

1、目前在全球范圍內(nèi)環(huán)境污染和能源缺乏已經(jīng)是不容忽視的問題，而光催化技術(shù)被認為是具有廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)之一。二氧化鈦半導體材料由于具有良好的物理和化學穩(wěn)定性、廉價無毒等優(yōu)點在光催化領(lǐng)域受到研究者們廣泛的關(guān)注。但由于二氧化鈦帶隙寬、光生電子和光生空穴易復合，光催化效率較低，在實際應(yīng)用中受到限制。已有研究證明：利用電子助劑改性二氧化鈦半導體材料能夠有效提高半導體材料的光催化性能。石墨烯(graphene)是一種sp2雜化單原子層的新型二維平面材

2、料，具有大的比表面積、優(yōu)良的導電性，可以作為電子助劑與二氧化鈦半導體復合，增強二氧化鈦的光催化性能。為了進一步改善還原氧化石墨烯(rGO)作為電子助劑的性能，本論文在功能化石墨烯基二氧化鈦光催化材料的制備及其光催化機理方面進行了以下探索：(1)石墨化氮-吡咯氮的協(xié)同效應(yīng)對N-rGO/TiO2光催化性能的增強研究；(2)CoS2-rGO/TiO2光催化材料的制備及其光催化機理研究。主要研究內(nèi)容及成果如下：
　　第一，氮摻雜石墨烯(N

3、-rGO)作為電子助劑與TiO2半導體復合，在紫外光下能有效提高TiO2光催化性能。然而，在N-rGO中不同氮鍵結(jié)構(gòu)(石墨化氮、吡咯氮和吡啶氮)對提高TiO2半導體光催化性能的影響和作用并不明確。本工作以NH3、N2H4和CO(NH2)2三種氮源為前驅(qū)體，通過一步水熱法在TiO2光催化材料表面成功修飾了具有不同氮結(jié)構(gòu)特性的氮摻雜rGO(N-rGO)，從而制備了N-rGO/TiO2復合光催化材料。實驗結(jié)果表明，不同的氮源前驅(qū)體對N-rGO

4、中的氮結(jié)構(gòu)特性具有重要影響：以NH3和CO(NH2)2為氮源，合成的N-rGO材料中主要含有吡咯氮(>70％)和吡啶氮(>10%)，而以N2H4為氮源合成的樣品中除了含有大量的吡咯氮(約63%)外，主要含有石墨化氮(約37%)。光催化實驗結(jié)果表明：相比于N-rGO/TiO2(NH3)和N-rGO/TiO2(CO(NH2)2，以N2H4為原料所制備的N-rGO/TiO2(N2H4)樣品具有最高的光催化活性，其降解甲基橙的性能分別是TiO2

5、、rGO/TiO2、N-rGO/TiO2(NH3)和N-rGO/TiO2(CO(NH2)2)的3.63、2.64、1.61和1.38倍?；谏鲜鰧嶒灲Y(jié)果，提出N-rGO中的石墨化氮與吡咯氮協(xié)同作用增強TiO2光催化性能的機理：石墨化氮作為光生電子轉(zhuǎn)移的有效媒介，可將TiO2光生電子快速轉(zhuǎn)移至光催化反應(yīng)活性位點；而吡咯氮作為高效的氧還原活性中心，促進光生電子與催化劑表面吸附氧的快速反應(yīng)；二者的協(xié)同作用大大減少了TiO2光生電子和空穴的復合

6、，使其光催化性能有顯著的提高。
　　第二，與價格昂貴的貴金屬相比，CoS2作為過渡金屬硫化物，不僅在地球上含量豐富且廉價易得，在電化學領(lǐng)域作為電極材料有廣泛應(yīng)用。在光催化領(lǐng)域，CoS2對半導體光催化性能的影響與作用并不清楚。本工作以水熱法合成CoS2-rGO/TiO2光催化材料，并對其光催化降解甲基橙的機理進行了探索研究。首先，通過水熱法合成rGO/TiO2二元復合材料，然后，以Co(NO3)2·6H2O和CH3CSNH2為鈷源和

7、硫源，利用浸漬結(jié)合水熱法合成CoS2-rGO/TiO2復合光催化材料。實驗結(jié)果表明，CoS2-rGO/TiO2復合光催化材料的紫外光光催化降解甲基橙的性能分別是TiO2、rGO/TiO2、CoS2/TiO2的6.02、2.12和4.16倍?；谝陨涎芯?，提出了CoS2功能化rGO協(xié)同作用增強TiO2半導體光催化性能的機理：一方面，石墨烯不僅具有較大的比表面積，且具有優(yōu)良的導電性，與TiO2納米顆粒復合后能夠緊密結(jié)合，作為電子助劑，快速轉(zhuǎn)