RGO/TiO2光催化剂的制备方法和发展现状研究

沈嘉豪 刘可凡 彭涛 霍原非 王海旺

摘 要：石墨烯具有电子传导强，化学结构稳定的特点。二氧化钛具有化学稳定性好，催化活性高，无二次污染的特点[1]。石墨烯和二氧化钛的组合可以降低二氧化钛中电子跃迁所需的电离能，并且可以显着提高复合材料的光催化效率。特别是在光催化降解环境污染物和光催化制氢方面，它具有非常广阔的应用前景。本文综述了目前制备RGO/TiO2光催化剂的三种主要方法，以及不同制备方法各自优势的总结，同时还对未来制备工艺的发展做出了展望。

关键词：二氧化钛；石墨烯；负载；光催化；优势和前景

近年来，人类生存和发展面临的两个关键问题是环境污染和能源消耗。使用光催化剂降解环境污染物具有作用条件温和，耗能少，无污染的优点。作为宽带隙半导体，TiO2是目前被用作最广泛使用的光催化剂材料之一[2]。但是，禁带宽度很高。这些问题制约着 TiO2的实际应用[3]。石墨烯是一种结构稳定的二维纳米材料，具有优异的电子传输性能和高比表面积。通过与TiO2光催化剂配合，可以制备出高性能的复合新材料[4-5]。

目前，石墨烯/TiO2二元复合材料的制备方法主要包括水热法，溶胶-凝胶法和溶剂热法[6]。本文从上述三种方法的各自特点出发，综述了石墨烯/TiO2制备方法的发展状况，并且对未来石墨烯/TiO2制备的研究方向做出了展望。

1. 石墨烯/TiO2制备方法的分类

根据制备工艺的不同，我们将制备石墨烯/ TiO2复合材料的方法大致分为以下三种类型。

1.1 水热法

以三氯化钛（TiCl3）为钛源，称取一定量的GO放入三口烧瓶中，搅拌，搅拌均匀后滴加少量表面活性剂，然后加入适量TiCl3，在充分反应后，将溶液倒入水热反应釜中，并在烘箱中保温6小时。将其自然冷却，过滤，洗涤并干燥，得到石墨烯/ TiO2样品[3]。

1.2 溶胶凝胶法

钛酸四丁酯（TBOT）用作钛源，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）用作模板剂[7]。以一定比例混合TBOT和乙醇溶液，充分搅拌直至模板剂完全溶解，并用浓盐酸将pH值调节至较强酸性。获得均匀的凝胶，将其在室温下静置以凝胶化，然后将凝胶在恒温烘箱中干燥1天。将样品在玛瑙研钵研磨后筛除，在不同的高温条件下煅烧并保温5 h以脱出模板剂，充分冷却后，取出，用乙醇洗涤至中性，最后干燥，得到石墨烯/ TiO2样品。

1.3 溶剂热法

将一定量的BF4，H2O和乙酸（hac）与作为钛源的钛酸四丁酯（TBOT）充分混合。然后加入TBOT，经过超声处理，然后转移到微波反应器中加热一段时间，冷却至室温后，通过离心分离白色沉淀，并在干燥箱中干燥，得到TiO2。在超声波处理下将计算量的 GO和 TiO2分散到乙二醇（EG）混合物中，并持续搅拌，然后将溶液的 PH调至大约13，并将溶液置于微波反应器中加热几分钟，待冷却至室温后将溶液的 PH调整为4。用超纯水反复洗涤混合物，并将获得的石墨烯/TiO2在真空烘箱中干燥5小时。随后在还原气氛中处理2 h得到石墨烯/TiO2试样[8]。

2. 石墨烯/TiO2不同制备方法的优势

2.1 水热法的优势

与原始TiO2催化剂相比，水热法制备的石墨烯/TiO2复合材料的光催化性能更优异。当所得石墨烯/TiO2试样中石墨烯与TiO2质量比为1：9时，复合材料的光效率是纯TiO2材料的2.5倍[6]。可以看出，不同钛源水热法制备的石墨烯/TiO2复合材料的复合形貌较好[9]，石墨烯和TiO2的结合不仅延长了光谱响应范围，而且促进了光生电子和空穴的分离。

2.2 溶液凝胶法的优势

溶胶凝胶法最为显著的优势是能够使反应物在混合形成溶胶的过程中在分子层面上更加均匀地混合到一起。其次是制备所得的TiO2粒径更小，其在石墨烯表面上负载分布得更为均匀，石墨烯与TiO2之间结合更为紧密。

2.3 溶剂热法的优势

现有的溶剂热法主要使用醇水溶液作为溶剂。如果其中乙醇水溶液偏多，但合成的复合材料也不需要进一步的高温处理也能得到锐钛矿型TiO2/石墨烯复合材料，与水热法相比，减少了因为热处理带来的石墨烯掺杂量变化的干扰，能够准确地分析复合材料掺杂比例对其催化性能的影响，能够提供更有力的数据支撑。

3. 总结及展望

本文综述了三种制备石墨烯/ TiO2复合材料的方法和不同方法的优点。能够形成Ti- O- C键，从而使得石墨烯的能带与TiO2的价带相连。由此，降低了TiO2中电子跃迁所需的电离能，抑制了光生载流子的复合，延长了光谱响应范围，提高了催化效率。水热法制备流程简单，溶胶凝胶法制备所得 TiO2粒径更小与石墨烯结合更为紧密，溶剂热法制备所得石墨烯/ TiO2用于测试分析能够得到更精确的结果。虽然上述三种不同的制备方法各有优势，但目前研究者们在选择上还存在诸多的不确定因素，即使是使用同一种方法使用不同的原料所得到复合物性能也存在着差异，如何寻找一种最大限度将三者优势结合的制备方法是未来研究的主要方向。

参考文献：

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[3]林春玲，焦小妮，周玲，常木蓝，刘明杰.水热法制备氧化石墨烯负载TiO2的研究[J].化工新型材料，2018，46（07）：81-84.

[4]Tapas K L，SaswataB，Ananta K M，etal.Chemical functionalization of graphene and its applications[J].Progress in Materials Science，2012，57（7）：1061-1105.

[5] Zhu Yanfeng， Du Ronggui，Li Jing，.et al..Photogenerated cathodic protection properties of aTiO2 nanowire film prepared by a hydrothermal method[J]..College of Chemistry and Chemical Engineering，Xiamen University，2010，26（9）：2349-2353.

[6]滕洪輝，高彬，高泽. TiO2/石墨烯光催化复合材料的制备及应用[ J].资源节约与环保，2018（09）：127-128.

[7]乔仁静，许琦，唐喆，韩粉女.溶胶-凝胶法制备介孔TiO2及其表征[J].化工新型材料，2016，44（04）：187-189.

[8]王敏，王中伟，韦露，李建伟，赵新生.微波辅助溶剂热法制备 Pt/石墨烯- TiO2及其催化性能（英文）[ J].催化学报，2017，38（10）：1680-1687.

[9] Yadav H M，Kim J S.Solvothermal synthesis of anatase TiO2graphene oxide nanocomposites and their photocatalytic performance [J].Journal of Alloys Compounds，2016，688：123 -129.

作者简介：

沈嘉豪（2000-6-10），男，籍贯：四川省成都市人，名族：汉，职称：无，学历：在读本科生，研究方向：光催化。

王海旺（1981-），通讯作者，男，籍贯：内蒙古赤峰市，民族：汉，职称：副教授，学历：博士，研究方向；光催化。