專利名稱：納米ZnO/石墨烯光催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光催化劑及其制備方法，特別是一種納米aio-石墨烯光催化劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
采用光催化降解水和空氣中的有機污染物的熱點。半導體光催化劑無毒，能在比較溫和的溫度和PH下降解較寬范圍內(nèi)的污染物。到目前為止，TiO2被認為是最好的半導體光催化劑之一。但是有研究表明，ZnO在降解一些污染物方面表現(xiàn)出了特殊的價值，比如漂白紙漿廠的污水，苯酚和2-苯基苯酚等.而且，有研究證明但是有研究證明ZnO有著與 TiO2相同的光降解機理。但是由于其本身禁帶寬原因，產(chǎn)生的電子-空穴對不僅極易復合而且壽命較短， 光響應范圍較窄，使光催化活性受到了一定的限制，且利用的光譜范圍受到一定的限制，所以減少電子-空穴對的復合率是提高其光催化效率的一個非常重要的途徑。文獻已經(jīng)報道諸多減少電子-空穴的復合的方法，比如貴金屬沉積，渡金屬摻雜，半導體耦合，與碳材料復合等。在這些方法中，把催化劑和碳材料結(jié)合，比如CNT (碳納米管)和C60是最有效的方法之一。但是，由于CNT和C6tl價格比較貴并且處理過程復雜，二者都沒有得到廣泛的應用。在各種碳材料中，石墨烯是單原子厚度的二維碳原子晶體具有獨特的電子，物理和化學性質(zhì)。到現(xiàn)在為止，石墨烯已被廣泛應用與凝聚態(tài)物理學，電子學，材料科學等。另外，氧化石墨具有比CNT和C6tl便宜很多，有一定潛在的應用價值。近年來，利用石墨烯獨特的電學性質(zhì)對一些材料進行修飾以及制備性能更好的復合新材料是當前的研究熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種納米aio-石墨烯光催化劑。本發(fā)明的目的之二在于提供該光催化劑的制備方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。一種納米SiO-石墨烯光催化劑，其特征在于該光催化劑是以石墨烯為骨架，負載有ZnO而形成的復合型納米光催化劑；其中石墨烯與ZnO納米顆粒的質(zhì)量比為1 100 10:100。一種制備上述的納米SiO-石墨烯光催化劑的方法，其特征在于該方法的具體步驟為
a.納米SiO的制備將可溶性鋅鹽與(NH3)2CO3按1:1 1:2溶于去離子水中，反應 Ih 2h，過濾洗滌，干燥；在300°C -900°c下煅燒2 2. 5小時；
b.將氧化石墨溶于水和無水乙醇的混合溶液中，超聲分散0. lh，然后加入&ι0， 攪拌吸附濁 3h，轉(zhuǎn)入反應釜中，120°C 180°C下反應汕 8h，過濾洗滌，干燥，得納米 ZnO-石墨烯光催化劑；所述的石墨烯與SiO的質(zhì)量比為 1:100 10:100。
上述的氧化石墨的制備方法為
a.將P2O5和Kj2O8按1 1的質(zhì)量比混合均勻，緩慢加入12ml 98 %濃H2SO4,加熱到 80°C 85°C，再加入石墨粉，80°C 85°C下恒溫4. 5 h 5h ；室溫冷卻，用水稀釋后攪拌， 然后靜止；抽濾，得濾渣；所述的石墨粉與五氧化二磷的質(zhì)量比為6:5 6.5:5 ；
b.將步驟a所得濾渣干燥后溶于120ml98 %濃H2SO4中，磁力攪拌下緩慢加入15g KMnO4,并控制反應液的溫度< 20°C，然后在35°C 40°C下攪拌反應池 池；邊攪拌邊緩慢加入250ml 300ml水進行稀釋并控制反應液的溫度< 50°C ；再加入700ml 800ml水和20ml 30ml 30% H2O2 ( 一滴滴加)，繼續(xù)攪拌，放置過夜。過濾，濾渣用1 10鹽酸去離子水洗滌，超聲，離心分離，收集固體，干燥。本發(fā)明通過一步水熱合成法成功制備了具有高催化活性的催化劑SiO-石墨烯。 在形成SiO-石墨烯的過程中，既把氧化石墨GO還原為石墨烯GS，又同時把ZnO負載石墨烯 GS上。由于GS的加入，電子-空穴的復合率降低，在紫外燈照射下降解甲基橙的過程中，光降解率有很大提高。而且如果再考慮參數(shù)的優(yōu)化，比如aiO，GS 二者加入量的最優(yōu)比，PHJ^ 度的影響等，ZnO/GS的催化活性有可能會進一步提高。所以，制備的SiO/GS復合催化劑成本低，可以回收利用，并且具有很好的光催化效果，有望應用于工業(yè)廢水、廢氣的光催化處理。


圖1為樣品氧化石墨(GO)的AFM圖； 圖2為石墨烯(GS)的AFM圖 3 為石墨烯(a, d)，ZnO (b，e)和 ZnO/GS 復合物(c, f)的 TEM (a, b, c)和 SEM (d，e, f)
圖4為石墨烯(a)，氧化石墨(b)，ZnO (c), ZnO/GS (d)的X衍射圖； 圖 5為GO (a), GS (b)，Zn0(c) and the ZnO/GS (d)的 FT-IR 圖； 圖6為(a)石墨烯，(b)氧化石墨，(C)ZnO，(d) SiO/GS的拉曼光譜； 圖7為(a) ZnO, (b) ZnO-GR紫外-漫反射吸收光譜； 圖8為(a) ZnO, (b) P25, (c) ZnO/GS在紫外燈下降解甲基橙; 圖9為黑暗條件下攪拌20min后，甲基橙溶液的濃度(a)無催化劑，(b) ZnO, (c) P25, (d) ZnO/GS。
具體實施例方式氧化石墨的制備方法請參見(1.Hummers, W. S. ； Offeman, R. E. Preparation of Graphitic
Oxide. J. Am. Chem. Soc. 1958，80，1339 ；
2. Wang, Y. ； Li, Y. Μ. ； Tang, L. H. ； Lu, J. ； Li, J. H. Application ofGraphene-Modi ed Electrode for Selective Detection of Dopamine. Electrochem. Commun. 2009，11，889.)。本實施例的氧化石墨的制備方法為將2. 5g P2O5'2. 5 g K2S2O8加到錐形瓶中，搖勻，緩慢加入H2SO4,在油浴中加熱到80°C，再加入3穿石墨粉，80°C下恒溫4. 5 h ；室溫冷卻，用500 水稀釋后攪拌30 min，然后靜止20h ；抽濾，干燥；120 ml 加入到錐形瓶中， 加入上述濾渣，磁力攪拌下緩慢加入15 ff KMnO4，溫度要低于20°C，然后錐形瓶放入油浴中攪拌下35°C保溫池；用250 ml水稀釋，邊攪拌邊緩慢加入？，溫度要低于50°C;室溫攪拌， 加入700 ml水，20 ml 30% H2O2 (—滴滴加)，繼續(xù)攪拌，放置過夜。過濾，濾渣用1:10鹽酸去離子水洗滌，超聲，離心分離，收集固體，干燥。實施例一 1. 1試劑與儀器
石墨粉(graphite powder, C. P.，國藥集團化學試劑有限公司)，P2O5(A. R.，國藥集團化學試劑有限公司)，H2SO4 (G. R.，國藥集團化學試劑有限公司)，K#208 (A. R.，國藥集團化學試劑有限公司)，KMnO4 (A. R.，國藥集團化學試劑有限公司)，H2O2 (A. R.，國藥集團化學試劑有限公司)，SiNO3 (A. P.，國藥集團化學試劑有限公司)，(NH4)2C03(A. P.，國藥集團化學試劑有限公司)，實驗用水為去離子水。主要儀器有CR21G II高速冷凍離心機(日本Hitachi公司)，U-3010型紫外-可見分光光度計(日本Hitachi公司)，JE0L-200CX透射電子顯微鏡 (日本電子株式會社)，JSM-2010F型X射線粉末衍射儀(日本電子株式會社)，JSM-6700F 高分辨掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)，AVATAR 370紅外分光光度計(美國Thermo Nicolet公司)；光催化裝置。納米S1O的制備在燒杯中加入適量的SiNO3,溶于適量的去離子水中，在攪拌下加入等摩爾的(NH3)2CO3，反應池，過濾洗滌，干燥；在馬弗爐中400°C下煅燒池。石墨烯負載的ZnO的制備將IOmg氧化石墨溶于適量的20ml水和IOml無水乙醇組成的混合溶液中，超聲分散lh，然后加入SiO 1。攪拌吸附池，轉(zhuǎn)入反應釜中，180°C下反應池，過濾洗滌，干燥。光催化降解甲基橙溶液實驗
光催化降解實驗在催化裝置中進行，催化劑直接加到甲基橙(MO)溶液(呈橘黃色) 中，光源為500W的紫外燈，磁力攪拌光催化降解，每隔IOmin取樣測試，離心分離后，取上層清夜，在MO的最大吸收波長464nm處進行吸光度的測定。降解效果以降解效率表示
權(quán)利要求
1. 一種納米SiO-石墨烯光催化劑，其特征在于該光催化劑是以石墨烯為骨架，負載有ZnO而形成的復合型納米光催化劑；其中石墨烯與ZnO納米顆粒的質(zhì)量比為1:100 10:100。
2.一種制備根據(jù)權(quán)利要求ι所述的納米SiO-石墨烯光催化劑的方法，其特征在于該方法的具體步驟為a.納米SiO的制備將可溶性鋅鹽與(NH3)2CO3按1:1 1:2溶于去離子水中，反應 Ih 2h，過濾洗滌，干燥；在300°C _900°C下煅燒2 2. 5小時；b.將氧化石墨溶于水和無水乙醇的混合溶液中，超聲分散0. lh，然后加入&ι0， 攪拌吸附濁 3h，轉(zhuǎn)入反應釜中，120°C 180°C下反應汕 8h，過濾洗滌，干燥，得納米 ZnO-石墨烯光催化劑；所述的石墨烯與SiO的質(zhì)量比為1:100 10:100。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米SiO-石墨烯光催化劑的制備方法，其特征在于所述的石墨烯的制備方法為將P2O5和Kj2O8按1 1的質(zhì)量比混合均勻，緩慢加入12ml 98%濃H2SO4,加熱到80°C 85°C，再加入石墨粉，80°C 85°C下恒溫4. 5 h 5h ；室溫冷卻，用水稀釋后攪拌，然后靜止；抽濾，得濾渣；所述的石墨粉與五氧化二磷的質(zhì)量比為6:5 6.5:5 ；b.將步驟a所得濾渣干燥后溶于120ml 98 %濃H2SO4中，磁力攪拌下緩慢加入15g KMnO4,并控制反應液的溫度< 20°C，然后在35°C 40°C下攪拌反應池 池；邊攪拌邊緩慢加入250ml 300ml水進行稀釋并控制反應液的溫度< 50°C ；再加入700ml 800ml水和20ml 30ml 30% H2O2 ( 一滴滴加)，繼續(xù)攪拌，放置過夜；過濾，濾渣用1 10鹽酸去離子水洗滌，超聲，離心分離，收集固體，干燥。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米ZnO-石墨烯光催化劑及其制備方法。該光催化劑是以石墨烯為骨架，負載有ZnO而形成的復合型納米光催化劑；其中石墨烯與ZnO納米顆粒的質(zhì)量比為1:100～10:100。由于GS的加入，電子-空穴的復合率降低，在紫外燈照射下降解甲基橙的過程中，光降解率有很大提高。而且如果再考慮參數(shù)的優(yōu)化，比如ZnO，GS二者加入量的最優(yōu)比，pH，溫度的影響等，ZnO/GS的催化活性有可能會進一步提高。所以，制備的ZnO/GS復合催化劑成本低，可以回收利用，并且具有很好的光催化效果，有望應用于工業(yè)廢水、廢氣的光催化處理。
文檔編號B01J23/06GK102430401SQ20111027855
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者劉斌虎, 尹東光, 張樂 申請人:上海大學