一种氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料及其制备方法与应用，所述制备方法包括：将二氧化钛纳米粒子分散在水或水和乙醇的混合液中，超声分散均匀，形成二氧化钛纳米粒子分散液；将带电聚合物大分子水溶液加入二氧化钛纳米粒子分散液中，中速匀速搅拌，得到聚合物包覆的二氧化钛纳米粒子分散液；将氧化石墨分散在水或水和乙醇的混合液中，超声分散得到氧化石墨烯分散液；将氧化石墨烯分散液和聚合物包覆的二氧化钛纳米粒子分散液相混合，搅拌，得到氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料。本发明专利技术工艺简单，生产过程可控性佳，易于量产，得到的材料具有显著的光催化降解性能，可用于有机污染物的光催化降解、各种光滑表面的自然环境自清洁等。境自清洁等。境自清洁等。

【技术实现步骤摘要】
Ti bond.,ACS Catalysis,2013,3(7)：1477-1485.)、非共价静电组装法(Micro&Nano Letters,2014,9(6):370-375.)、溶胶凝胶法(Zulin Hua,Xiaoyuan Zhang,etc.,Self-assembly of different graphene-modified morphologies of TiO2:nanoparticle,nanorod and nanowire for bisphemol-A photodecomposition,Micro&Nano Letters,2014,9(6):370-375.)、超声辅助法(RSC Advances,2011,1(7):1245-1249.)等(Xiaoyan Zhang,Haopeng Li,etc.,Graphene/TiO
2 nanocomposites:synthesis,characterization and application in hydrogen evolution from water photocatalytic splitting,Journal of Materials Chemistry,2010，20(14)：2801-2806.；耿静漪，朱新生，杜玉扣，TiO
2-石墨烯光催化剂:制备及引入石墨烯的方法对光催化性能的影响，无机化学学报，2012，28(2)：357-361.)、超声辅助法(Xinjuan Liu,Likun Pan,etc.,Microwave-assisted synthesis of TiO
2-reduced graphene oxide composites for the photocatalytic reduction of Cr(VI),RSC Advances,2011,1(7):1245-1249.；黄冬根，莫壮洪，全水清等，石墨烯/纳米TiO2复合材料的制备及光催化还原性能.,复合材料学报，2016，33(1)：155-162.)等。
[0004]然而，如上所述制备方法或是操作复杂，条件苛刻，或是对环境不友好，因此，在本领域中，需要开发一种操作简单、过程可控，易于实现量产的石墨烯/二氧化钛复合纳米材料的制备方法，并期待制备得到的材料具有更加优异的光催化效果。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料及其制备方法与应用。本专利技术所述氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料具有良好的光催化性能，且具有分散稳定性和环境相容性。本专利技术所述的石墨烯/二氧化钛复合纳米材料可用产业化氧化石墨烯、二氧化钛粉体(含商用P25二氧化钛、纳米二氧化钛)为原料，采用简便、绿色的技术路线在水溶液中通过一步法批量合成，所得复合纳米材料可在水相介质中形成分散性良好的分散液，并长期保持稳定。
[0006]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一方面，本专利技术提供一种氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0008](1)将二氧化钛纳米粒子分散在水或水和乙醇的混合液中，分散均匀，形成二氧化钛纳米粒子水分散液；
[0009](2)将带电高分子聚合物水溶液加入步骤(1)得到的二氧化钛纳米粒子水分散液中，搅拌，得到带电聚合物分子表面修饰或包覆的二氧化钛纳米粒子水分散液；
[0010](3)将氧化石墨烯粉体分散在水或水和乙醇的混合液中，经超声处理形成氧化石墨烯分散液；
[0011](4)将步骤(2)得到的水分散液和步骤(3)得到的水分散液混合，搅拌，得到所述氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料。
[0012]在本专利技术中，利用带正电的聚合物大分子PDDAC在二氧化钛纳米粒子表面缠绕或包覆形成呈正电性的包覆层，与在水相介质中表面呈负电性的氧化石墨烯二维纳米材料，通过正负电荷之间的库仑力相互作用，形成紧密结合的氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米颗
粒。
[0013]PDDAC聚合物包覆层在光照下会产生载流子，使所制备的氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料的价带-导带间能级差减小，且提供了载流子(电子、电荷)的传输通道，因此氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料的光催化性能与单纯二氧化钛纳米粒子相比有了显著的提高。
[0014]在本专利技术中，步骤(1)所述二氧化钛纳米粒子的平均粒径为5-100nm，例如5nm、8nm、10nm、13nm、15nm、18nm、20nm、25nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等。
[0015]优选地，所述二氧化钛纳米粒子为纳米二氧化钛纳米粉体(平均粒径范围5nm-30nm)、P25二氧化钛(商品化的，平均粒径约25nm)或经溶胶-凝胶法制备，并经450℃～650℃(例如450℃、480℃、500℃、520℃、550℃、580℃、600℃、630℃或650℃)高温煅烧的、含有锐钛矿和金红石两种晶型的二氧化钛纳米粒子(平均粒径范围10nm-100nm)；
[0016]优选地，所述带正电聚合物大分子为聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDAC)。
[0017]优选地，所述带正电聚合物大分子的分子量M
w
为100,000～200,000，例如100,000、110,000、120,000、130,000、140,000、150,000、160,000、170,000、180,000、190,000或200,000。
[0018]优选地，步骤(1)所述二氧化钛纳米粒子水分散液的质量浓度为0.1wt.％～2.0wt.％，例如0.1wt.％、0.3wt.％、0.5wt.％、0.8wt.％、1wt.％、1.3wt.％、1.5wt.％、1.8wt.％、2.0wt.％。
[0019]优选地，步骤(2)所述带电高分子聚合物水溶液的浓度为0.1wt.％～2.0wt.％，例如0.1wt.％、0.3wt.％、0.5wt.％、0.8wt.％、1.0wt.％、1.3wt.％、1.5wt.％、1.8wt.％或2.0wt.％。
[0020]优选地，步骤(2)所述带电高分子聚合物的用量为二氧化钛纳米粒子水分散液体积的0.2-1.0VOL.
‰
，例如0.2VOL.
‰
、0.3VOL.
‰
、0.5VOL.
‰
、0.7VOL.
‰
、0.8VOL.
‰
、0.9VOL.
‰
或1.0VOL.
‰
等。根据分散液中二氧化钛纳米粒子的比表面积调整加入量，若加入量不足，则不能在二氧化钛纳米粒子表面形成完整的包覆层，若过量，则由于聚合物大分子的无差别缠绕可能造成二氧化钛纳米粒子不能相互分立保持自由分散。聚合物大分子在二氧化钛纳米粒子表面的包覆情况可通过测试分散液的zeta电位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将二氧化钛纳米粒子分散在水或水和乙醇的混合液中，分散均匀，形成二氧化钛纳米粒子分散液；(2)将带电高分子聚合物水溶液加入步骤(1)得到的二氧化钛纳米粒子分散液中，搅拌，得到带电聚合物大分子表面包覆的二氧化钛纳米粒子分散液；(3)将氧化石墨烯粉体分散在水或水和乙醇的混合液中，经超声分散处理形成氧化石墨烯分散液；(4)将步骤(2)和步骤(3)得到的分散液按一定比例相混合，搅拌，得到所述氧化石墨烯/二氧化钛复合纳米材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述二氧化钛纳米粒子的平均粒径为5nm～100nm；优选地，所述二氧化钛纳米粒子为纳米二氧化钛粉体、P25二氧化钛或经溶胶-凝胶法制备并经450℃～650℃高温煅烧的、含有锐钛矿和金红石两种晶型的二氧化钛纳米粒子。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述带正电聚合物大分子为聚二烯丙基二甲基氯化铵；优选地，所述带正电聚合物大分子的分子量Mw为100,000～200,000。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述二氧化钛纳米粒子水分散液的质量浓度为0.1wt.％～2.0wt.％；优选地，步骤(2)所述带电高分子聚合物水溶液的浓度为0.1wt.％～2.0wt.％...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忍肖，葛广路，迟姚玲，熊依雯，杨林凤，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：