一种棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂，是将CeO

Preparation of rod-shaped graphene quantum dots / ceria composite photocatalyst

【技术实现步骤摘要】
一种棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂的制备方法
本专利技术涉及一种氧化铈复合光催化剂，尤其涉及一种具有棒状结构石墨烯量子点/氧化铈（GQDs/CeO2）的制备方法，用于有机污染物的光催化降解，属于复合材料领域及光催化应用领域。
技术介绍
氧化铈（CeO2）为常用的光催化剂，其晶体属于萤石型面心立方结构（每个Ce4+离子周围有8个O2-离子），其光吸收阈值可达420nm，高于常用的半导体材料TiO2。虽然CeO2在催化应用中具有自身优势和潜力，但其较宽的带隙导致在实际应用中催化性能表现并不理想。石墨烯量子点（GQDs）GQDs具有大比表面积、优异的光电性能、良好的分散性及生物相容性，可用于各种材料的制备过程。GQDs优异的光致电子转移特性，良好的可见光吸收性能，拓宽了的可见光光吸收范围，同时可为光催化反应提供更多有效接触界面和活性位点。研究表明，GQD具有协同提高半导体/GQDs光催化剂的光催化活性的作用，即GQDs作为光敏剂最大化光吸收，可用于提高电荷分离效率的电子受体。因此，将CeO2与GQDs结合制备的复合光催化剂GQDs/CeO2具有更高的有机污染物光降解率。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂的制备方法。本专利技术石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂的制备方法，是将氧化铈（CeO2）纳米粒子加入石墨烯量子（GQDs）点水溶液中，超声分散均匀后转入反应釜中进行水热反应；反应结束后冷却，离心分离产物，超纯水洗涤，冷冻干燥，即得棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂（GQDs/CeO2）。所述CeO2纳米粒子的粒径为150~200nm；GQDs的粒径为5~7nm，且含氮量为3.1~3.15at%。GQDs的质量为CeO2粒子质量的1.5~9.0%。所述水热反应是在100~105℃下保持2.5~3h。所述离心分离转速为9000~10000rpm。所述冷冻干燥是在-50~-55℃下真空干燥10~12h。下面通过扫描电镜分析、紫外可见吸收光谱、荧光光谱及光催化等测试表征对本专利技术GQDs/CeO2材料的结构和性能进行分析说明。1、扫描电镜分析图1为CeO2纳米粒子（A、B）及棒状GQDs/CeO2复合材料（C、D）在不同放大倍率下的电镜照片。图1显示，低倍率下CeO2纳米粒子更多地无规则团聚在一起，其中含有部分短棒状的结构；高倍率下CeO2纳米微粒是完整的立方萤石相晶体，CeO2纳米粒子因较大的表面能聚集在一起。当CeO2纳米微粒中加入GQDs形成复合材料GQDs/CeO2时，由于GQDs具有几个纳米的尺度，因而图中并不能直接观察到其存在。另外复合材料GQDs/CeO2的整个宏观形貌相比CeO2发生了转变，由无序堆积变为有序规则的棒状形貌结构，GQDs包覆在CeO2表面，使其表面能发生变化而形貌转变成为图1（D）中的棒状结构。2、紫外可见吸收光谱光电转换材料性能的体现和性能的提升主要表现在其对光的响应能力上，其中对可见光的响应是太阳能利用的一个主要方面，也是光电转换材料在应用领域努力的方向。图2（A）为本专利技术制备的复合材料GQDs/CeO2的漫反射光谱，从图中可以观察到，与纯的CeO2相比，复合材料的吸收边发生了明显的红移，其中CeO2的吸收边为415nm，GQDs-4.5/CeO2的吸收边为475nm，这主要是由于GQDs结构中的π-π共轭结构的作用引起的。复合材料对紫外可见光的吸收边的拓宽，相比原料能够有效增强对可见光的利用，从而提升可见光下复合材料的催化效率。图2（B）表示通过求(ahν)1/2对光电子能(hν)的斜率得到材料的禁带宽度值，相比原料CeO2的禁带宽度值3.1eV，复合材料的禁带宽度值减小，GQDs-3.0/CeO2、GQDs-4.5/CeO2和GQDs-6.0/CeO2的禁带宽度值分别为2.98、2.42和2.63eV，这个结果可以判定GQDs对CeO2的带隙值有很大的影响，因此复合材料GQDs-4.5/CeO2具有比纯CeO2更好的可见光响应性。3、荧光光谱通过上述扫描电镜图和紫外可见吸收光谱图知道，GQDs是包裹在CeO2的表面，两者之间存在紧密的界面连接；此外，从紫外-可见吸收光谱表征发现复合材料GQDs/CeO2的带隙相较于纯CeO2发生了变化，这些特征都从侧面反映了GQDs上的光生电子很可能会自由移动至CeO2上，而这个转移的过程会使电子和空穴的寿命延长，更多几率的电子和空穴能更有效地体现其性能，增强复合材料的光电性能。根据前人相关方面的研究，要确定电子和空穴这两者之间分离效率的关系，通常采用光致发光光谱来论证。图3为纯CeO2和GQDs/CeO2复合材料在激发波长为320nm的光致发光光谱。从图3中可以观察到，纯CeO2和复合材料具有相似的光谱特征，但纯CeO2的光致发光强度远高于几种复合材料GQDs/CeO2，这说明GQDs的引入提高了电子和空穴的分离效率。此外，从图3中可看出不同GQDs含量的复合材料的光致发光光谱中，GQDs-4.5/CeO2的峰值强度最低，这也说明复合材料GQDs-4.5/CeO2具有最佳的光生电子-空穴分离效率。4、GQDs/CeO2复合材料的光催化性能CeO2以及GQDs/CeO2光催化有机物降解实验：准确配制一定浓度的罗丹明B（RhB）溶液(CRhB=10mg·L-1)，移取50mLMB溶液于石英反应器中，随后向加入25mg光催化剂，在黑暗条件下磁力搅拌1h，使MB分子在催化剂表面和溶液中达到吸附-脱附平衡；然后打开300W的氙灯光源，滤光片滤掉紫外光（λ>400nm），在冷却水循环条件下使反应体系温度维持在25℃左右。在光催化实验的进程中每隔相同时间取约4mL的样品于离心试管中，离心分离上清液，用UV-2550型可见分光光度计测定离心液在λmax＝554nm处的吸光度，并根据反应后清液中RhB的浓度和初始浓度的变化，计算光催化剂对RhB的去除率。图4为复合材料GQDs/CeO2中GQDs所占的质量百分数为1.5wt%，3.0wt%，4.5wt%，6.0wt%，7.5wt%，9.0wt%的GQDs/CeO2光催化效率对比图。由图4所示还可以看出，经过60min黑暗条件后达到的吸附平衡，此过程中包括CeO2和复合材料GQDs/CeO2对RhB都具有吸附并且吸附量的差异不大，这是由于GQDs尺寸对吸附过程的影响很小。但是在可见光照射下，GQDs的加入增加了花状CeO2表面的活性位点及对有机物的吸附能力，因此相对于单一CeO2，复合材料GQDs/CeO2的光催化强度提升，使得棒状结构GQDs/CeO2表现出更优越的光催化效率。其中GQDs-4.5/CeO2表现出了最强的催化活性，这说明与GQDs的复合量为4.5wt%时为最佳的复合量，CeO2能最好地和GQDs配合体现最高的催化活性。测试结果：光照180min后，纯CeO2对于RhB的去除率为21.9%；GQDs-4.5/CeO2对RhB的去除率为94.4%。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂的制备方法，是将CeO

【技术特征摘要】
1.一种棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂的制备方法，是将CeO2纳米粒子加入石墨烯量子点水溶液中，超声分散均匀后转入反应釜中进行水热反应；反应结束后冷却，离心分离产物，超纯水洗涤，冷冻干燥，即得棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂。


2.如权利要求1所述一种棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述CeO2纳米粒子的粒径为150~200nm。


3.如权利要求1所述一种棒状结构石墨烯量子点/氧化铈复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述石墨烯量子点的粒径为5~7nm，且含氮量为3.1~3.15at%。


4.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫尊理，张红娟，裴贺兵，贾倩倩，陈颖，郭瑞斌，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62